Фамилия Пустынная с первого взгляда кажется прозрачной — отсылает к слову «пустыня». Но в русской ономастике такие фамилии обычно редки и почти всегда имеют не то значение, которое приходит в голову первым.

Скорее всего, перед нами не «пустынная» в смысле безлюдная местность, а притяжательное прилагательное от прозвища или имени Пустыня. В старину Пустыней могли называть человека, который жил в глухом, малолюдном месте — в пустоши, на отшибе. Или же, что тоже вероятно, это мирское имя, данное ребёнку, родившемуся в сложное время, в «пустынном» одиночестве, без соседей. Такие имена-обереги были в ходу у крестьян.

Словообразовательная модель здесь необычна для русских фамилий. Окончание «-ая» указывает на форму женского рода, что встречается в нескольких случаях. Первый — фамилия могла быть дана по матери, то есть это матроним (Пустынная дочь). Второй — фамилия образована от названия населённого пункта, например, села Пустынное или Пустынь. В этом случае носитель фамилии — выходец из такого села. Третий вариант — это форма, закрепившаяся за женщиной в документах, а мужская версия фамилии — Пустынный.

Географически фамилия тяготеет к южным и центральным регионам России, где были распространены сёла с корнем «пустынь» (например, в бывшей Воронежской или Тамбовской губерниях). Встречается она и у старообрядцев, которые селились в отдалённых скитах — пустынях, отсюда и прозвище.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Пустынников, Пустынский, Пустынцев, — то Пустынная стоит особняком: у неё нет суффикса принадлежности («-ов», «-ин»), что делает её более старой по модели, близкой к прозвищным фамилиям, которые не успели «обкататься» до стандартных форм.

Коротко: предки человека с фамилией Пустынная либо жили в глухой местности, либо происходили из села с таким названием, либо получили фамилию по матери. Никакой связи с жаркой пустыней как ландшафтом в русской традиции нет.