Фамилия Пантелеймин — одна из тех, где связь с исходным именем видна сразу, но суффикс заставляет задуматься. В основе лежит каноническое имя Пантелеймон (от греческого «всемилостивый»), которое на Руси давали в честь святого великомученика и целителя. Однако фамилия образована не от полной формы, а от разговорного варианта Пантелейма или просторечного Пантелей, с усечением конечного «н». Привычный суффикс -ов дал бы Пантелеймонов, а здесь мы видим -ин. Это указывает на притяжательную модель: «чей?» — «Пантелеймин», то есть сын, потомок человека по имени Пантелейма. Такая форма характерна для фамилий, которые складывались из прозвищ или имен, оканчивающихся на -а, -я, что и произошло с этим именем в народном произношении.

С географической точки зрения фамилия редкая. Она встречается преимущественно в центральных и южных регионах России, особенно в областях, где было сильно влияние церковной традиции почитания святого Пантелеймона, — например, в Курской, Воронежской, Ростовской губерниях. Встречаются единичные носители на Урале и в Сибири, что типично для фамилий, образованных от имени святого, но не получивших массового распространения.

Интересная деталь: фамилия могла возникнуть не только от имени, но и от прозвища Пантелейма, которое давали человеку, родившемуся в день памяти святого (9 августа по старому стилю) или имевшему какое-то отношение к врачеванию, так как святой Пантелеймон считался целителем. Однако вторая версия менее вероятна, так как прозвища в форме полного имени с суффиксом -ин обычно закреплялись за потомками, а не за самим носителем.

В дореволюционных документах фамилия могла писаться через «о» — Пантелеймонин, но вариант Пантелеймин закрепился как более краткий и удобный в быту. Сословно фамилия не привязана к дворянству или духовенству — скорее всего, её носили крестьяне или мещане, у которых имя Пантелеймон было распространено, но не настолько, чтобы фамилия стала частой.