Фамилия Вертунцева — женская форма фамилии Вертунцов, которая образована от прозвища Вертунец. В основе лежит глагол «вертеть» или существительное «вертун». В русских говорах вертуном называли непоседливого, суетливого человека, который постоянно находится в движении, «вертится как юла». В некоторых диалектах слово имело и более конкретные значения: так могли прозвать того, кто уклоняется от прямого ответа, хитрит, или же мастера, работающего с вращающимися механизмами — например, токаря или мельника.

Модель образования типична для восточнославянских фамилий: прозвище на -ец (Вертунец) плюс типичный патронимический суффикс -ов, дающий фамилию Вертунцов. Женская форма Вертунцева — это не изменение основы, а грамматическое согласование: в документах XIX века встречаются написания как через «о» (Вертунцова), так и через «е» (Вертунцева), что связано с аканьем — произношением безударного «о» как «а» или «е» в разных регионах.

Фамилия редкая, сконцентрирована в центральных и южных областях России, особенно в Воронежской и Ростовской областях. Встречается также на Украине, где могла писаться как Вертунців. В дореволюционных источниках носители фамилии фиксируются в основном среди крестьян и мещан — это согласуется с прозвищным происхождением от бытовой характеристики.

У фамилии есть омонимичные формы: Вертунов (от прозвища Вертун) и Вертячих (от «вертячий» — тот же корень, но с другим суффиксом). Однако Вертунцов/Вертунцева отличается именно суффиксом -ец, который мог указывать на единичный признак («тот самый вертун») или на происхождение из определённой местности. В ономастике этот суффикс иногда связывают с украинским или южнорусским влиянием.