Фамилия Пантелимонова — женская форма от Пантелимонов. В основе лежит мужское имя Пантелеймон, которое пришло в русский язык из греческого (Παντελεήμων) и означает «всемилостивый». Так звали святого великомученика и целителя, почитаемого в православии. Поэтому фамилию можно считать «святцевой»: её давали в честь святого, чьё имя носил предок.

Модель образования проста: к полной форме имени Пантелеймон добавили стандартный русский суффикс принадлежности -ов, а затем, при передаче по женской линии, — окончание -а. В крестьянской и мещанской среде XIX века такие фамилии часто фиксировались именно в женском роде, если запись шла от имени матери или вдовы. Хотя мужской вариант Пантелимонов встречается чаще, форма Пантелимонова не редкость: она могла закрепиться, например, за семьёй, где глава дома рано умер, и хозяйством управляла вдова.

Интересна орфографическая особенность. В церковной традиции имя писалось как Пантелеимон (с двумя «е» и «и»), но в бытовой речи оно сократилось до Пантелеймон, а затем до Пантелимон — с потерей первого «е» и заменой «ей» на «и». Фамилия Пантелимонов/Пантелимонова отражает именно эту народную, упрощённую форму. Если бы предок носил имя строго по канону, фамилия звучала бы как Пантелеимонов — такая тоже существует, но гораздо реже.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским регионам, где имя Пантелеймон было особенно популярно. Встречается также у потомков казачества и в старообрядческих семьях — у них часто сохранялись архаичные или диалектные варианты имён.

Сословный состав носителей неоднороден: среди Пантелимоновых были и крестьяне, и купцы, и духовенство (священники с таким именем нередко давали фамилию детям по своему имени). Однако однозначно отнести фамилию к какому-то одному сословию нельзя — имя было распространено повсеместно.