Фамилия Пахмельнова — один из тех редких случаев, когда корень слова не утратил прямой связи с повседневным понятием. В основе лежит слово «похмелье» (в диалектном произношении «пахмелье»), то есть состояние после неумеренного употребления спиртного. Фамилия образована по стандартной модели: от прозвища Пахмель (или Пахмельня) с помощью типичного для женской линии суффикса -ов- и окончания -а.

Прозвище Пахмель в XVI–XVII веках могли дать человеку, который либо часто страдал от похмелья, либо, наоборот, был известен тем, что любил «поправлять здоровье» с утра. В крестьянской среде такие прозвища не несли резко негативного оттенка — они фиксировали заметную черту поведения, как Пьяница, Гуляка или Хмель. Однако есть и другая, менее очевидная версия: в некоторых говорах «похмелье» называли не только состояние, но и обрядовое угощение после поминок или свадьбы. Тогда прозвище могло относиться к человеку, который устраивал такие застолья или был за них ответственным — например, к свату или поминальному старосте.

По географической привязке фамилия Пахмельнова — типично севернорусская и вологодская. Фонетическая замена о на а («пахмелье» вместо «похмелье») характерна для акающих говоров, которые распространены в южной части Вологодской области, а также в Ярославской и Костромской губерниях. Встречается фамилия редко, и её носители, скорее всего, происходят из одной локальной группы — возможно, из крестьян одного уезда.

Словообразовательный суффикс -ов- указывает, что фамилия принадлежит к «женской» форме: Пахмельнова — это дочь или жена Пахмельнова. Мужской вариант — Пахмельнов. Такая пара характерна для фамилий, которые закрепились в документах уже после того, как прозвище перестало быть живым, и в семье записывали всех под одной основой.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Похмельев, Похмельных, Хмелев — показывает, что Пахмельнова стоит особняком: она сохранила именно разговорный, а не книжный вариант корня. В официальных бумагах XVIII–XIX веков священники или писаря могли «исправить» фамилию на более благозвучную, но Пахмельнова осталась в народном произношении, что и делает её ценной для историков языка.