Фамилия Пышменцева — редкий случай, когда географическая основа очевидна, а вот её точное происхождение оставляет пространство для догадок. В основе фамилии лежит название реки Пышма, протекающей в Свердловской и Тюменской областях. Это один из притоков Туры, а сама местность известна с XVII века как центр горнозаводского Урала. Фамилию образовали от прозвища или именования Пышменец — так могли называть человека, пришедшего с берегов Пышмы или жившего на реке Пышме. Суффикс -ец в таких прозвищах типичен для обозначения жителя по месту: ср. устюжанец (из Устюга), пермяк (из Перми), пышменец.

Модель образования фамилии — притяжательное прилагательное с суффиксом -ев: Пышменцев, то есть «сын Пышменца». Женская форма Пышменцева — это буквально «жена или дочь Пышменцева». Такая патронимическая модель в русских фамилиях самая распространённая, но здесь она привязана не к личному имени, а к прозвищу по местности.

Стоит обратить внимание на ударение. В названии реки Пышма ударение падает на первый слог, и фамилия, скорее всего, сохраняет его: Пы́шменцев. Однако в разговорной речи встречается вариант с ударением на второй слог — Пышме́нцев, что может быть связано с влиянием суффикса -ец, который в русском языке часто бывает ударным (кузне́ц, иностра́нец).

В ономастических словарях фамилия не описана подробно, но её можно отнести к географическому типу, который активно формировался на Урале и в Сибири в XVIII–XIX веках, когда люди получали прозвища по рекам и поселениям. Пышма — не единственная река с таким названием, есть ещё Пышма в Коми, но уральская версия наиболее вероятна, учитывая плотность населения в том регионе.

Сословный состав носителей фамилии мог быть разным: от государственных крестьян до мастеровых горных заводов. В метрических книгах XIX века фамилия встречается в основном в Пермской и Тобольской губерниях, что подтверждает её урало-сибирские корни. Однокоренные фамилии — Пышмин, Пышминцев, Пышменский — все они образованы от того же гидронима, но по разным моделям (суффиксы -ин, -ский). Пышменцева среди них стоит особняком из-за редкого сочетания суффиксов: -ец + -ев, что делает её узнаваемой и локально привязанной.