Фамилия Велентеенко — яркий пример украинской модели образования фамилий с суффиксом -енко, который в XVI–XVIII веках был главным маркером «сыновства»: буквально означал «чей-то сын» или «малый, подмастерье». В украинской ономастике фамилии на -енко стали массово фиксироваться на Левобережье и Слобожанщине, и Велентеенко — типичный продукт именно этой волны.

Основа фамилии — Велентей (или Велентий). Это разговорная, народная форма канонического имени Валентин. Украинская фонетика смягчила «т» перед «и» и изменила ударный гласный: Валенти́н → Веленті́й → Веленте́й. Уменьшительно-ласкательный суффикс -ей (как в именах Андрей, Матвей) здесь прирос к основе, создав прозвище или неофициальное имя. Таким образом, Велентей — это «маленький Валентин» или «Валентин, свой в кругу».

Другая, менее вероятная версия выводит фамилию от диалектного глагола веленте́ть — «медлить, мешкать» (в некоторых южнорусских и украинских говорах). Тогда прозвище Велентей дали бы нерасторопному человеку. Но эта гипотеза слабее: во-первых, глагол редок и не фиксируется в письменных источниках XVII–XVIII веков; во-вторых, модель «имя + -енко» в Украине была настолько продуктивной, что искать бытовое прозвище без острой нужды не стоит.

Географически фамилия тяготеет к центральным и восточным областям Украины — Полтавщине, Черкащине, Днепропетровщине. В России встречается редко и, скорее всего, занесена переселенцами в XIX–XX веках.

Сословно предки Велентеенко — скорее всего, казаки или крестьяне. Суффикс -енко в XVI–XVII веках был распространён именно среди казацкой старшины и мещан, но к XIX веку стал всеобщим. Дворянской ветви с такой фамилией не зафиксировано — гербовых родов Велентеенко нет в «Общем гербовнике».

Орфографическая особенность: двойное «е» в корне (Велентеенко) — результат адаптации украинского произношения к русской графике. В украинском варианте фамилия писалась бы как Велентієнко (через «і»), но при записи в метрических книгах на русском языке звук [і] передали буквой «е».