Фамилия Пантелеймонов напрямую говорит о том, что её основатель носил редкое сегодня, но очень почитаемое в старину имя Пантелеймон. В переводе с греческого оно означает «всемилостивый», и это значение напрямую связано с культом святого великомученика Пантелеймона, известного на Руси как целитель. Поэтому в народном сознании имя быстро закрепилось как «целитель» или «всех милующий», что отражало надежду на заступничество и исцеление.

Образована фамилия по самой распространённой модели: к полной форме имени добавили притяжательный суффикс -ов. Такой суффикс указывал на принадлежность: Пантелеймонов сын, то есть сын человека по имени Пантелеймон. Со временем указание на родство отпало, и форма закрепилась как наследственное родовое прозвание.

Интересно, что в отличие от многих других фамилий, образованных от уменьшительных форм (Пантелеев, Пантюхин, Пантюшин), здесь использована именно полная, книжная форма имени. Это может говорить о том, что предок был человеком грамотным, возможно, связанным с церковной средой, или же фамилия закрепилась в среде, где было принято называть людей полным именем — у казаков, духовенства или в купеческой среде.

В дореволюционной России фамилия Пантелеймонов встречалась нечасто, но была распространена шире, чем сегодня, — в основном в южнорусских губерниях и в среде старообрядцев, которые особенно чтили святого Пантелеймона. В XIX веке её могли носить выходцы из духовного сословия: в семинариях нередко давали фамилии по именам святых, и Пантелеймонов могло быть искусственно присвоенной фамилией выпускника. Однако чаще она всё же возникала естественным путём — от отца, носившего это имя.

Сегодня фамилия остаётся сравнительно редкой, что делает её носителей обладателями яркого и исторически насыщенного родового имени, напрямую связанного с православной традицией и древнегреческим языком.