Фамилия Пантелимонов — одна из тех, что сразу указывает на имя предка. В её основе лежит крестильное имя Пантелеймон, которое в русской традиции получило народную форму Пантелимон. Имя греческое, означает «всемилостивый», и носил его святой великомученик, почитаемый как целитель. Фамилию образовали по стандартной патронимической модели: к основе Пантелимон добавили русский суффикс -ов, означающий «сын» или «потомок». Так Пантелимонов — буквально «сын Пантелимона».

Интересно, что в церковной среде имя произносили с ударением на последний слог — Пантелеймо́н, а в быту оно часто упрощалось до Пантеле́й или Пантели́мон. Фамилия Пантелимонов, скорее всего, закрепилась именно за той ветвью рода, где имя бытовало в просторечной, «облегчённой» форме. Встречается она реже, чем более распространённая Пантелеев, но это не делает её вторичной — напротив, такая форма сохранила более архаичный след.

По сословной принадлежности предки-носители фамилии могли быть кем угодно: от крестьян до купцов и духовенства. В южнорусских и украинских землях форму Пантелимон фиксировали чаще, чем в северных, поэтому есть вероятность, что корни фамилии тянутся из Черниговской, Полтавской или Харьковской губерний. Но окончательно привязать фамилию к одной местности сложно — имя было распространено повсеместно.

Ономасты, в частности Б. Унбегаун, относят фамилии на -имонов к числу тех, что образованы от полных форм имён без уменьшительных суффиксов. Это отличает их от фамилий вроде Пантелеев (от Пантелей) или Пантелеевский (с притяжательным суффиксом). Пантелимонов стоит особняком: он сохранил трёхсложную основу, что делает его звучание более торжественным, почти книжным, хотя бытовое происхождение никуда не делось.