Фамилия Пантелеймоновы (в мужском роде — Пантелеймонов) образована от канонического крестильного имени Пантелеймон. В переводе с греческого оно означает «всемилостивый» (пан — «весь» и элеос — «милость»). Это имя попало в русский именослов вместе с христианством и долго оставалось преимущественно церковным: его давали в честь святого великомученика Пантелеймона, почитаемого врача и целителя.

Словообразовательная модель здесь простая и характерная для большинства русских фамилий: к основе имени добавили притяжательный суффикс -ов, который отвечал на вопрос «чей?». Первоначально Пантелеймонов — это отчество, то есть «сын Пантелеймона». Позже, когда отчества закрепились как наследственные, оно перешло в разряд фамилий. Такой путь прошли тысячи русских родов: от имени предка через отчество к фамилии.

Стоит заметить, что имя Пантелеймон в народной среде часто упрощали. Отсюда пошли многочисленные однокоренные фамилии — Пантелеев, Пантелеевский, Пантелейкин, Пантюхин, Пантюшин. Форма Пантелеймонов сохранила полный, книжный вариант имени, что указывает на более официальное или письменное происхождение. Возможно, предок носителя фамилии был человеком грамотным или принадлежал к среде, где имя записывали по церковным канонам, без сокращений.

Говорить о точном месте возникновения фамилии сложно: процесс формирования русских фамилий растянулся на несколько столетий, с XVI по XIX век, и проходил в разных регионах по-разному. На юге и западе России фамилии закреплялись раньше, на севере и в Сибири — позже. Однако сам факт, что фамилия сохранила полную форму имени, позволяет предположить её относительно раннее происхождение, когда церковная традиция записи имён была особенно сильна.

Ономасты, в частности Б. Унбегаун в своём труде о русских фамилиях, отмечают, что фамилии от полных форм крестильных имён чаще встречались у духовенства и образованных слоёв населения, тогда как крестьянство обычно использовало уменьшительные формы. Поэтому Пантелеймоновы могли происходить из среды причетников, дьячков или людей, близких к церкви, хотя со временем фамилия распространилась и в других сословиях.

Сегодня фамилия Пантелеймонов не относится к числу массовых, но встречается по всей России. Вопреки распространённому мнению, она не связана напрямую с известным советским писателем, носившим псевдоним Пантелеймон Романов, — тот лишь использовал имя как литературный псевдоним. Реальные же Пантелеймоновы — это потомки конкретного человека, которого когда-то крестили в честь святого целителя, и фамилия хранит память об этом имени в его полной, нетронутой народной переделкой форме.