Фамилия Пантелюхина — женская форма, а её мужской вариант Пантелюхин. Это типичная русская фамилия, образованная от прозвища или имени через патронимический суффикс -ин, который указывает на принадлежность: «чей?» — Пантелюхин, то есть сын Пантелюхи.

В основе лежит имя Пантелей (каноническая форма Пантелеимон). В народной русской традиции это имя часто сокращали и переделывали: Пантелейка, Пантюха, Пантелюха. Последняя форма — Пантелюха — и стала прямым источником фамилии. Суффикс -юх- здесь характерен для обиходной, уменьшительно-ласкательной или пренебрежительной речи (сравните: Ванюха, Петюха). Таким образом, Пантелюха — это просторечный вариант имени Пантелей, а Пантелюхин — «внук» или «сын» человека, которого в быту звали Пантелюхой.

Имя Пантелеимон в переводе с греческого означает «всемилостивый». На Руси оно было широко распространено благодаря почитанию святого великомученика и целителя Пантелеимона, которого считали покровителем врачей и воинов. Однако фамилия Пантелюхина не обязательно указывает на профессию предка-лекаря. Чаще всего это просто отчество, закрепившееся за потомками крестьянина или горожанина, носившего это популярное церковное имя.

Географически фамилия Пантелюхин встречается преимущественно в центральных и южных регионах России, а также на Украине (где могла писаться как Пантелюхін). Встречаются однокоренные варианты: Пантелеев, Пантелеевский, Пантюхин, Пантюхов. Из них Пантюхин — самый близкий по модели образования, но Пантелюхин сохранил более редкий суффикс -юх-, что делает фамилию менее распространённой, но более выразительной с точки зрения народной этимологии.

О сословной принадлежности носителей фамилии судить сложно: в документах XVII–XIX веков Пантелюхины фигурируют и среди крестьян, и среди мещан. Фамилия недворянская, что типично для отчеств от просторечных форм имени, но это не умаляет её исторической ценности — она точно отражает живую речь и бытовую культуру русских людей нескольких столетий назад.