Фамилия Пустовая отвечает на вопрос «чей?» и образована от прозвища Пустовой. Такая модель типична для русских фамилий: суффикс -ов/-ев добавляли к основе, чтобы обозначить принадлежность потомку человека с этим прозвищем. То есть Пустовая буквально значит «дочь или жена Пустового», а изначально — «из рода Пустовых».

Прозвище Пустовой, скорее всего, получил человек, чей дом стоял на пустыре, необработанном участке земли или в безлюдном месте. В некоторых русских диалектах пустырь называли просто «пустой» — отсюда и форма прозвища, отвечающая на вопрос «какой?». Так Пустовой превращался в «живущего на пусте», а его потомки, в зависимости от пола, становились Пустовыми или Пустовыми.

Впрочем, возможен и другой поворот: прозвище могло указывать не на место жительства, а на характер или образ жизни. Пустовым могли назвать человека, который казался окружающим «пустым», то есть несерьёзным, легкомысленным или болтливым. Такая версия имеет право на существование, но выглядит менее убедительной: топографические прозвища по месту жительства в русской ономастике встречаются чаще, чем характеристики личности.

Интересно, что фамилия Пустовая сохранила архаичную форму притяжательного прилагательного. В современном языке мы бы сказали «пустырный» или «пустырниковый», но в старину форма «пустовой» была естественной. Подобные фамилии — Пустовой, Пустовалов, Пустовойтов — встречаются в южнорусских и украинских говорах, где слово «пустый» в значении «пустой, порожний» широко употреблялось. Сама же фамилия Пустовая в женском роде закрепилась, когда женщины перестали менять фамилию при замужестве и стали передавать её детям без изменений.

Точной даты возникновения фамилии назвать нельзя: прозвища такого типа стихийно появлялись в разных регионах на протяжении нескольких столетий. Но можно уверенно сказать, что корень у неё — древний, общеславянский, и связан он с понятием пустоты, незанятости, отсутствия чего-либо.