Фамилия Пантелимон — редкий случай, когда в основе лежит полная церковная форма имени, а не его разговорный вариант. В русской традиции крестильное имя Пантелеимон (от греческого «пантелеимон» — «всемилостивый») чаще всего давало фамилии Пантелеев, Пантелеевский или Пантелеймонов. Форма Пантелимон — это либо результат упрощения (выпадения «е»), либо прямой перенос имени из южнославянских или румынских говоров, где оно звучало так же.

Словообразовательная модель здесь проста: фамилия образована от личного имени без дополнительного суффикса, то есть путём «застывания» полного имени. Такие фамилии (Иван, Павел, Пантелимон) в русском ономастиконе встречаются редко, чаще — у выходцев из духовного сословия или у переселенцев с территорий, где фамилии оформлялись позже и проще. В XIX веке семинаристы нередко получали фамилии от имён святых в полной форме, но «Пантелимон» мог остаться и у крестьянина, если его записал неграмотный писарь, не прибавив типичного «-ов».

Географически фамилия тяготеет к югу России, к Бессарабии и Молдавии. В молдавском языке имя Пантелимон (Pantelimon) было распространённым, и фамилия без суффикса — обычное явление. В русских губерниях носители Пантелимона встречаются единично, чаще всего в документах начала XX века.

Исторически предок-носитель такого имени мог быть либо человеком, родившимся в день памяти святого Пантелеимона (27 июля по старому стилю), либо выходцем с Балкан. Вторая версия правдоподобнее: массивное, «неурезанное» имя в быту — признак иноязычной или диалектной среды. Фамилия не получила массового распространения, поэтому её носители — это, скорее всего, потомки одной или нескольких семей, сохранивших редкую форму.

По сравнению с однокоренными фамилиями (Пантелеев, Пантелеймонов), Пантелимон стоит особняком: он не «обрусел» через суффикс, а остался именем в чистом виде. Это делает его ценным для историков как пример прямой фиксации антропонима в документе.