Фамилия Пустельний — одна из тех, чья основа на первый взгляд кажется прозрачной, но при ближайшем рассмотрении открывает несколько разных путей происхождения. В её основе лежит прилагательное «пустельный» или существительное «пустельня», но вот что именно имелось в виду, зависит от региона и эпохи.

Самый прямой и частый вариант — прозвище человека, жившего на пустоши, в пустынном или малолюдном месте. В южных и центральных говорах «пустельня» означала заброшенный, необитаемый участок земли, пустырь. Соответственно, Пустельным могли назвать крестьянина, чей надел находился на отшибе, или человека, поселившегося на краю села, вдали от соседей. Эта версия поддерживается типичной для украинских и южнорусских фамилий моделью с суффиксом -н(ий), который превращает географическую характеристику в фамильное прозвище.

Однако есть и менее очевидная, но более интересная версия, связанная с птицей. В орнитологии пустельга — это хищная птица из семейства соколиных. В народе её могли называть «пустельня» или «пустельник». Если предок носителя фамилии был сокольником, птицеловом или просто имел внешнее сходство с этой птицой (например, рыжеватый цвет волос или острый взгляд), он мог получить прозвище Пустельня, а его потомки — фамилию Пустельний. Эта версия менее распространена, но фонетически более изящна: превращение «пустельга» в «пустельний» через промежуточное прозвище — естественный процесс для живой речи.

Словообразовательный суффикс -н(ий) характерен для западноукраинских и польских фамилий, образованных от прозвищ с основой на -л- (сравните: Пустельний, Мельничный, Костельный). Это указывает на то, что фамилия, скорее всего, сформировалась на территории современной Западной Украины или в приграничных с Польшей районах. Встречаются варианты написания с одной «н» (Пустельный) и с двумя, но форма с двумя «н» (Пустельний) точнее передаёт исходное прилагательное.

Встретить фамилию Пустельний сегодня можно преимущественно в Украине, а также среди потомков украинских переселенцев в России и других странах. В дореволюционных списках она не была распространена широко, что говорит о её локальном, возможно, даже деревенском происхождении. Сословно предки, скорее всего, были крестьянами или казаками, а не дворянами — фамилия не несёт признаков искусственного книжного образования.