Фамилия Пустобрыкова — женская форма мужской фамилии Пустобрыков. Её основа — прозвище Пустобрык, которое, скорее всего, носило ироничный или осуждающий характер. В русских говорах «брыкать» означало «лягаться», «упрямиться», «капризничать». Пустобрыком могли назвать человека суетливого, вздорного, который много шумит и «брыкается», но без толку, впустую. Первая часть прозвища — «пусто-» — усиливает значение бессмысленности действий.

Модель образования фамилии типична для русского севера и центральных областей: суффикс -ов присоединялся к прозвищу на согласный. В писцовых книгах и переписях XVII–XVIII веков подобные «пустые» прозвища встречались нередко: Пустовалов, Пустомеля, Пустозвонов. Пустобрыков — более редкий вариант, но построен по той же логике: человек, чьи «брыки» (выходки, ссоры) ни к чему не приводят.

Интересная деталь: в отличие от фамилий, образованных от профессий или мирских имён, эта фамилия почти наверняка возникла не в крестьянской среде как «уличное» прозвище, а как внутрисемейное или соседское. В среде служилых людей и посадских прозвища с оценкой поведения были особенно распространены — они фиксировали характер человека для налоговых и военных списков. Поэтому предок Пустобрыковых мог быть не бобылём или бедняком, а, наоборот, вполне зажиточным, но неуживчивым человеком.

С точки зрения словообразования, фамилия стоит в ряду однокоренных, но не родственных по смыслу: Пустобрыков не имеет отношения к «пустым брыкам» как к пустоте в прямом смысле. Это чисто метафорическое прозвище, и его носитель вряд ли был физически пуст — скорее, его считали пустым в делах или словах.