Фамилия Пантелехина женская, а её мужская форма — Пантелехин. Сразу бросается в глаза необычный суффикс -их-, который встречается реже привычных -ов или -ин. Этот суффикс характерен для северных и северо-западных русских говоров, а также для некоторых регионов Сибири, куда переселенцы принесли свои диалекты. Фамилии на -их (Пантелехих, Пантелехиных) раньше бытовали в форме родительного падежа множественного числа: «из дома Пантелехих». Со временем окончание сократилось до -а, и фамилия закрепилась в современном виде.

В основе лежит крестильное имя Пантелей, которое в народной речи часто упрощали до Пантелей, Пантелеха или Пантелех. Имя это греческого происхождения, означает «всемилостивый» — так звали святого великомученика Пантелеимона, покровителя врачей. На Руси имя было очень популярным, особенно в купеческой и крестьянской среде, поэтому его производных форм множество: Пантелеев, Пантелехин, Пантелевич.

Пантелехин — это отчество второго порядка, то есть «сын Пантелехи». Если отца звали Пантелей, а в быту — Пантелеха, то его дети становились Пантелехиными. Словообразовательная модель простая: к основе Пантелех- добавили суффикс -ин, обозначающий принадлежность. Такой способ типичен для русских фамилий, образованных от имён, оканчивающихся на -а или -я.

Альтернативная версия, что фамилия могла возникнуть от прозвища Пантелеха, данного за сходство с каким-то персонажем или за манеру поведения, выглядит менее убедительной. Прямая связь с церковным именем намного вероятнее, учитывая массовость таких фамилий в русской ономастике.

Географически фамилия Пантелехина чаще всего встречается в северных областях России — Вологодской, Архангельской, а также в Кировской и Нижегородской. Это подтверждает версию о северном происхождении суффикса -их. В этих краях предки носителей фамилии были, скорее всего, крестьянами или мещанами, а имя Пантелей давали по святцам, что было обычной практикой до революции.

Сравните с однокоренными фамилиями: Пантелеев (с суффиксом -ев, более распространённая южная и центральная форма) и Пантелеевский (с суффиксом -ский, указывающим на дворянское или духовное происхождение). Пантелехина стоит особняком — она говорит о диалектной среде и о том, что предки жили там, где сохранили старую северную манеру словообразования.