Фамилия Пустошинцева — вариант женской формы, а её основа мужская — Пустошинцев. В центре внимания здесь необычный суффикс -инцев, который встречается реже, чем привычные -ов/-ев или -ин. Эта модель образования указывает на конкретную географическую или социальную привязку: суффикс -ец (в косвенных формах -инц-) в русских фамилиях обычно означал «житель» или «выходец» из определённого места. Таким образом, Пустошинцев — это «тот, кто с Пустоши» или «житель Пустошина».

Корень фамилии — «пустошь». В древнерусском языке пустошью называли незаселённую, заброшенную землю, поросшую кустарником или лесом, которую когда-то пахали, но потом оставили. Такие участки нередко давали названия деревням и починкам. Фамилия Пустошинцев могла возникнуть в нескольких регионах, где были селения с названием Пустошино, Пустошинка или Пустошь. По переписям, такие топонимы встречаются в основном в центральной России и на севере — в бывших Новгородских и Вятских землях.

Есть и вторая, менее очевидная версия. В некоторых говорах «пустоша» или «пустошник» — это не только пустырь, но и человек, который живет на отшибе, в глуши, ведет замкнутый образ жизни. Прозвище Пустоша могли дать тому, кто поселился на пустоши первым, или просто нелюдимому человеку. В таком случае фамилия образована не от названия деревни, а напрямую от прозвища, и суффикс -инцев здесь работает как «принадлежащий к роду Пустоши»: Пустоша — Пустошин — Пустошинцев.

В пользу топонимической версии говорит то, что модель «топоним + -ец» (ср. Рязанцев, Муромцев, Тверитинов) была очень продуктивной в XVI–XVII веках. Фамилии на -инцев обычно указывали на более дробную, локальную привязку, чем на -ов. Если бы предок был просто «пустошным» крестьянином, фамилия скорее звучала бы как Пустошев. А Пустошинцев — это именно «выходец из Пустошина», что связывает её с конкретным, возможно, исчезнувшим селением.