Фамилия Пантилеенко — типичный пример восточнославянской фамилии, образованной по патронимической модели, но с характерным украинским суффиксом. Основа здесь — каноническое крестильное имя Пантелеймон, которое в народной, бытовой речи часто сокращали до Пантилей, Пантелей или Пантюха. Суффикс -енко, распространённый прежде всего в левобережной Украине (Полтавщина, Черниговщина, Слобожанщина), указывает на прямое родство: «Пантилеенко» буквально означает «сын Пантилея» или «потомок Пантилея». В XVI–XVIII веках такие фамилии закреплялись за казацкой старшиной, мещанами и крестьянами, но чаще всего — за реестровыми казаками, где запись «Пантелей сын» постепенно превращалась в наследственное прозвание.

Интересно, что фамилия избежала типичного русского суффикса -ов: если бы носитель жил севернее, он стал бы Пантелеевым. Суффикс -енко же сохранил архаичную форму имени без перехода «е» в «ё». Само имя Пантелеймон (греч. «всемилостивый») было очень популярно у православных, особенно после прославления святого великомученика Пантелеимона-целителя. Поэтому предки носителей фамилии могли быть как крестьянами, носившими имя в честь святого, так и людьми, связанными с врачеванием — знахарями или костоправами, поскольку святой считался покровителем медицины. Однако прямая связь с профессией маловероятна: скорее, фамилия просто указывает на то, что родоначальника звали Пантилеем.

В написании фамилии возможны варианты — Пантилеенко, Пантелеенко, Пантелиенко. Двойное «е» в суффиксе — не ошибка, а следствие того, что основа заканчивается на «ей»: Пантилей + енко. Встречается фамилия преимущественно на территории Украины (Черкасская, Полтавская, Сумская области) и в прилегающих районах России, куда переселялись украинские крестьяне в XIX веке. В дворянских родословных книгах Пантилеенко не фигурируют — это фамилия преимущественно крестьянского и казачьего сословия, что подтверждается её массовостью в метрических книгах сёл бывшей Гетманщины.