Фамилия Штарнель — редкая и, судя по всему, не исконно русская, а принесённая в Россию из немецкоязычных земель. Её основание — немецкое слово «Stern» (звезда), что сразу указывает на возможную связь с астрономией, навигацией или, что вероятнее, с названием трактира или дома, где жил первый носитель фамилии. В немецкой ономастике суффикс «-ель» (-el) часто образует уменьшительные или прозвищные формы, так что «Sternel» могло означать «звёздочка» — ласковое прозвище, либо указание на невысокий рост или особую примету человека.

Однако более правдоподобна версия, что фамилия восходит к топониму. В Германии и Австрии встречаются населённые пункты с корнем «Stern», например, Штернберг или Штернфельд. Переселенцы, менявшие диалектное произношение на письме, могли превратить «Штернель» в «Штарнель». Подтверждение этому — характерный для немецких фамилий суффикс «-ель», который в русской записи остался без изменений, в отличие от окончания «-ов» или «-ин», которые обычно добавляли к иноязычным основам при адаптации.

В Российской империи носители фамилии Штарнель могли быть потомками колонистов, приглашённых Екатериной II в Поволжье, или специалистов — аптекарей, ремесленников, учителей, которых нанимали в городах. Сословно они, скорее всего, относились к мещанам или цеховым мастерам, реже — к дворянству (если фамилия принадлежала обрусевшим немцам на государственной службе). Склоняемость фамилии по падежам (Штарнеля, Штарнелю) указывает на то, что она вошла в русский язык как существительное мужского рода, а не застыла в форме прилагательного.

Учитывая редкость фамилии, её носители в России — это, вероятно, потомки одной или нескольких семей, сохранивших фамилию в неизменном виде. Встретить Штарнелей можно в архивных записях по Санкт-Петербургу, Москве и бывшим немецким колониям, а также в диаспорах за рубежом. Единой версии происхождения нет, но связь с немецким «Stern» и топонимический след выглядят убедительнее, чем гипотеза о славянском корне.