Фамилия Пустовлев образована от прозябища Пустовль, которое, скорее всего, восходит к глаголу «пустовать». Так могли прозвать одинокого человека, чей дом пустовал, либо того, кто поселился на пустоши — земле, оставленной под залежь. В этом случае прозвище указывало на образ жизни или место жительства, а не на род занятий.

Само прозвище Пустовль довольно древнее. На это указывает его форма: оно образовано от существительного с помощью суффикса -ль, как и названия городов Ярославль или Перемышль. Эта словообразовательная модель была продуктивна в древнерусскую эпоху, что позволяет отнести возникновение прозвища как минимум к позднему средневековью. Потомок человека, обладавшего таким прозвищем, со временем получил фамилию Пустовлев по стандартной модели притяжательных прилагательных: Пустовль → Пустовлев, то есть «сын Пустовля».

Менее вероятно, что Пустовль — это искажённый вариант прозвища Пустовал, которое связано с выражением «валять полсть». Полстью в старину называли плотный лоскут, полотнище: тканый ковёр, плетёный половик, но чаще всего — валеный, сбитый войлок или половинку звериного меха, который стелили на пол. Тогда Пустовал относился бы к «профессиональным» именованиям и указывал на мастера, занимавшегося изготовлением полстей — валянием, сбиванием войлока. Однако эта версия сталкивается с фонетическим препятствием: переход «Пустовал» в «Пустовль» не объясняется естественными законами русской фонетики, поэтому первая гипотеза выглядит правдоподобнее.

Итак, в основе фамилии лежит либо характеристика одинокого быта, либо, с меньшей долей уверенности, ремесло войлочника. В любом случае, фамилия Пустовлев — редкий пример того, как прозвище сохранило архаичный суффикс, который в живой речи давно вышел из употребления.