Фамилия Пустоенцева — женская форма мужской фамилии Пустоенцев, а та, в свою очередь, образована от прозвища Пустоенец. В основе лежит корень «пуст-», указывающий на что-то незаполненное, порожнее, или на пустой, безлюдный участок земли (пустошь), и суффикс «-енец», который в русских фамилиях встречается нечасто. Обычно суффикс «-ец» обозначает жителя местности или носителя свойства, а «-ен-» могло быть соединительным элементом или частью более старой диалектной формы. Таким образом, Пустоенец — это человек, живущий на пустоши, либо владелец пустующего, невозделанного надела.

Вероятнее всего, прозвище давали крестьянину, чей участок земли долго не засевался, был заброшен или имел неплодородную почву. В условиях подсечно-огневого земледелия и переложной системы пустошью называли поле, временно оставленное для отдыха, но если хозяин не возвращал его в оборот, за ним и закреплялось такое прозвище. Вторая, более редкая версия связывает фамилию с именем Пустой — охранительным именем, которое давали, чтобы обмануть нечистую силу: считалось, что ребенок с «пустым» именем не привлечет к себе бед. Но для этой модели характерен суффикс «-ов» (Пустов), а не «-енец», поэтому версия с географическим или хозяйственным прозвищем выглядит убедительнее.

Фамилия Пустоенцев — редкая. Основной ареал её бытования — южные и центральные области России, особенно Курская, Орловская и Белгородская губернии, где много пустошей и перелесков. Суффикс «-ев» в окончании (Пустоенцев вместо Пустоенцов) указывает на то, что в основе слова был мягкий или шипящий звук — «ц» в прозвище Пустоенец. Это стандартная модель: Пустоенец → Пустоенцев. Встречаются и однокоренные фамилии — Пустовалов, Пустошкин, Пустозеров, но Пустоенцев стоит особняком из-за своей словообразовательной конструкции: она не столько описывает внешность или характер, сколько привязывает человека к конкретному типу земельного участка.