Фамилия Пустыннов — редкий случай, когда корень слова не указывает на пустое или безлюдное место, а скорее наоборот, на человека, связанного с монастырским укладом. В основе лежит слово «пустынь» — так на Руси называли уединённое поселение монахов, небольшой монастырь или скит. Двойная «н» в суффиксе — не опечатка и не вариант написания, а ключ к происхождению. Фамилия образована не от прилагательного «пустынный» (безлюдный), а от существительного «пустынь» с помощью суффикса принадлежности -ов. Получается Пустыннов — буквально «сын того, кто из пустыни», то есть человек, чей предок жил при монастыре, работал в нём или происходил из такой местности.

Словообразовательная модель здесь нечастая: основа «пустынь» даёт притяжательное прилагательное «пустыннов» (чей? — пустыннов сын), которое затем застыло в фамилии. В отличие от гораздо более распространённой фамилии Пустынников (от названия жителя — пустынник), Пустыннов напрямую отсылает к топониму или названию обители. Предок-основатель мог быть либо крестьянином, приписанным к монастырским землям, либо выходцем из села или деревни с названием Пустынь (такие есть в Нижегородской, Вологодской, Архангельской областях). В пользу топонимической версии говорит и то, что суффикс -ов чаще закреплялся за прозвищами по месту жительства, чем за обозначением рода занятий.

Спорных версий немного. Можно было бы предположить связь с прозвищем Пустыня — так могли назвать нелюдимого человека, но тогда фамилия писалась бы через одно «н»: Пустынов. Двойная согласная надёжно привязывает фамилию именно к «пустыни» как к географическому или церковному объекту. В словарях Б. Унбегауна и В. Никонова подобные модели разбираются на примерах типа Боголюбов (от Боголюбово), Рождественнов (от Рождественская пустынь), что подтверждает логику образования.

Географически фамилия Пустыннов встречается редко и в основном фиксируется в центральных и северных регионах России — там, где исторически было много монастырских слобод. Сословно носители, скорее всего, относились к крестьянам или однодворцам, реже — к духовенству (если предок был служкой при пустыни). Фамилия не имеет отношения к дворянству и не попала в родословные книги, что типично для прозвищ, закрепившихся в сельской среде.