Фамилия Пантелеев напрямую связана с крестильным именем Пантелей, которое представляет собой народную, сокращенную форму полного церковного имени Пантелеимон. В основе лежит греческое слово, означающее «всемилостивый», и это значение напрямую отсылает к самому известному покровителю имени — святому Пантелеимону Целителю. Святой был придворным врачом императора Максимиана и прославился тем, что безвозмездно лечил всех страждущих. В православии он почитается в чине великомученика, а в католицизме, где принята языческая форма имени Пантолеон или Панталеон, он входит в число четырнадцати святых помощников. Память этого святого церковь совершает 27 июля.

Модель образования фамилии проста и характерна для русской ономастики: к основе имени Пантелей добавили притяжательный суффикс -ев, который указывал на принадлежность потомку человека по имени Пантелей. Сын, внук или более дальний родственник Пантелея получал прозвание Пантелеев, которое со временем закрепилось как фамилия.

Однако история этого рода в России не ограничивается лишь церковной традицией. В исторических документах содержатся сведения о дворянском роде Пантелеевых, который берет начало от купца первой гильдии Пантелея Пантелеева. Этот человек оставил своим сыновьям Федору и Феоктисту солидное наследство — две шелковые фабрики в Москве. На этих предприятиях выпускали богатую парчу, цветные атласы, разноцветные штофы и большие гарнитурные платки с золотой нитью — товары, рассчитанные на состоятельную публику. В начале 1840-х годов Пантелеевы обратили внимание на подмосковные земли. В 1842 году сын фабриканта Федор Федорович Пантелеев купил у Н. А. Волкова усадьбу Горенки близ села Пехра-Яковлевского, разместив в бывшем дворце Разумовского бумагопрядильную и бумаготкацкую фабрики. Уже в 1844 году он совместно со второй женой из купеческого рода Крашенинниковых приобрел у князей Голицыных имение Гребнево с семью деревнями. Его супруга Вера Николаевна также активно скупала земли: она приобрела небольшие деревеньки в Аксеновской волости Богородского уезда, а позднее и сельцо Топорково, ранее входившее в состав имения Гребнево.

Дворянский статус рода подтверждает герб Пантелеевых, внесенный во вторую часть «Общего гербовника дворянских родов Всероссийской империи». Он представляет собой щит, в красном поле которого изображен серебряный лебедь, стоящий на зеленой траве. Этот символ, вероятно, отражал стремление подчеркнуть чистоту и благородство происхождения фамилии.

Среди носителей фамилии встречаются люди, прославившиеся на военном и литературном поприще. Илья Андреевич Пантелеев (умер в 1861 году) дослужился до генерал-лейтенанта и участвовал в Наполеоновских войнах и Кавказских походах. Лонгин Федорович Пантелеев (1840–1919) известен как писатель, издатель и общественный деятель. В XX веке фамилию прославил Юрий Александрович Пантелеев (1901–1983), советский военно-морской деятель, адмирал. Таким образом, потомок человека по имени Пантелей, будь то древний лекарь или московский фабрикант, со временем получил фамилию, которая сегодня объединяет самых разных людей.