Фамилия Пустатынцева — женская форма от Пустатынцев, и её редкость сразу бросается в глаза. В отличие от распространённых «пустых» фамилий вроде Пустовалов или Пустоселов, здесь корень не «пуст-», а «пустатын-», что заставляет присмотреться к основе внимательнее.

Скорее всего, в основе лежит прозвище Пустатын или Пустатынец. Первая часть — «пуст-» в значении «пустой, незанятый, порожний». Вторая часть — «-тын». В диалектах, особенно северных и сибирских, «тын» — это частокол, забор, ограда. «Пустой тын» мог означать либо брошенное, неогороженное место, либо — в переносном смысле — человека, который «как пустой тын», то есть ненадёжный, никчёмный или, наоборот, незащищённый, открытый. Есть и другая версия: «тын» иногда употребляли для обозначения заднего двора или глухой части усадьбы. Тогда «пустатын» — это «пустой задворок», то есть бедное, необжитое хозяйство.

Суффикс «-цев» — типичный для русских фамилий, образованных от прозвищ на «-ец» (Пустатынец → Пустатынцев). Форма «Пустатынцева» говорит о том, что носительница — женщина, и фамилия закрепилась в роду по мужской линии.

Географически фамилия тяготеет к Русскому Северу и Поволжью. Встречается в старых переписях Вятской и Костромской губерний, где диалектное слово «тын» было в ходу. Это указывает на крестьянское или посадское происхождение: прозвища такого типа давали в среде, где каждый двор и ограда были на виду.

Интересно, что фамилия не даёт однозначной трактовки. Она могла закрепиться за человеком, жившим на пустыре за тыном, за бедняком с «пустым» хозяйством или за тем, кого в шутку прозвали «пустым тыном» за неспособность постоять за себя. В любом случае, это прозвище — не комплимент, а меткая бытовая характеристика, каких много в северных говорах.