Фамилия Пуголовок — редкий случай, когда в основе лежит не имя, не профессия и не внешний признак, а название рыбы. Пуголовок — это один из видов бычков, небольшая донная рыбка, распространённая в бассейнах Чёрного и Азовского морей, а также в Днепре, Буге и Днестре. Прозвище Пуголовок могли дать рыбаку, который ловил или торговал этой рыбой, либо человеку, чем-то напоминавшему её: возможно, небольшому росту, коренастому телосложению или большой голове — пуголовок отличается крупной для своих размеров головой.

Словообразовательная модель фамилии проста и прозрачна: суффикс -ок в сочетании с нулевым окончанием оформил прозвище как фамилию без дополнительных патронимических суффиксов -ов/-ев или -ин. Это указывает на украинское или южнорусское происхождение: в украинской ономастике фамилии на -ок, -ко, -енко встречаются гораздо чаще, чем в северных русских говорах. Пуголовок могло закрепиться как фамилия сразу в форме прозвища, без перехода в «Пуголовков» — типично для запорожских казачьих фамилий, где суффикс -ок выполнял роль уменьшительности или принадлежности.

В словаре Б. О. Унбегана «Русские фамилии» подобные образования описаны как «фамилии от названий рыб», но сам Пуголовок не упоминается — это локальный, нечастый антропоним. Встречается фамилия преимущественно на юге Украины, в Одесской, Николаевской и Херсонской областях, а также в прилегающих районах России (Краснодарский край, Ростовская область). География прямо совпадает с ареалом обитания рыбы-пуголовка, что подтверждает связь прозвища с местным промыслом.

Спорных версий происхождения практически нет: основа настолько конкретна, что альтернативные толкования (например, от глагола «пугать» с суффиксом -ок) выглядят натяжкой — слово «пуголовок» в русских говорах не фиксируется в значении «пугливый человек». Фамилия остаётся редким, почти терминологическим свидетельством рыболовного быта южных славян.