Фамилия Пустыльникова хранит память о прозвище дальнего предка — Пустыльник. Так на Руси называли монахов-отшельников, и это прямое указание на род занятий или образ жизни человека, который первым получил это именование. От прозвища Пустыльник образовали отчество-притяжательное прилагательное «Пустыльников» — то есть «сын Пустыльника», а уже от мужской формы возникла женская, Пустыльникова.

Отшельничество в христианстве понимали как отречение от мирской жизни с максимальным ограничением внешних связей и удалением для жительства в пустынные места. Своими предшественниками первые христианские отшельники считали пророка Илью и Иоанна Крестителя, а прообразом будущего отшельничества служило сорокадневное пребывание одного в пустыне Иисуса Христа, упоминаемое в Евангелиях. Пустыня, или пустынь, — это единственное место, где можно уединиться для общения с Богом, противоположность городу, селению, то есть любому населенному людьми месту.

Вероятнее всего, человек по прозвищу Пустыльник был монахом, жившим в безлюдном месте в лесу. Возможно и то, что Пустыльником прозвали монаха из Оптиной Пустыни — одного из самых известных монастырей России, хотя фамилия могла возникнуть в разных регионах независимо от конкретной обители. Не менее вероятно, что такое прозвище получил человек, любящий уединение, — не обязательно монах, но мирянин с характером молчальника и созерцателя.

Словообразовательная модель здесь простая и древняя: прозвище на -ник (как Гусельник, Мельник, Плотник) перешло в фамилию через типичный суффикс -ов, указывающий на принадлежность потомку. Это один из самых распространённых типов русских фамилий, образованных от мирских прозвищ, а не от канонических имён. Интересно, что прозвище Пустыльник не попало в святцы, поэтому фамилия сохранила именно народное, бытовое слово, а не церковное именование.

Прозвище закрепилось за человеком в качестве наиболее употребительного именования, а со временем легло в основу фамилии Пустыльников. Так потомок человека, обладающего прозвищем Пустыльник, со временем получил фамилию Пустыльников. Сегодня она встречается преимущественно в центральной России, что согласуется с географией монастырской культуры и пустынножительства.