Фамилия Папенхейм — редкий случай, когда русская фамилия оказывается немецкой по происхождению практически без изменений. В отличие от множества немецких фамилий, которые при переселении в Россию русифицировались суффиксами -ов или -ин (скажем, Шмидт становился Шмидтовым), Папенхейм сохранил исходную форму. Это сразу указывает на относительно позднее появление фамилии в русском контексте — скорее всего, в XVIII–XIX веках, когда фиксация фамилий уже велась строго по документам.

Корень фамилии — топонимический. Папенхейм (Pappenheim) — старинный город в Баварии, известный с XI века. Название города, в свою очередь, сложилось из двух частей: «Pappen» (предположительно от личного имени Поппо, распространённого в средневековой Германии) и «Heim» — «дом, жилище, поселение». То есть буквально «поселение Поппо». Фамилию Папенхейм, таким образом, получал человек, который был родом из этого города или его окрестностей. Такие фамилии называются топонимическими, и в немецкой традиции они часто оставались без каких-либо добавочных суффиксов.

В России носители фамилии Папенхейм — это, как правило, потомки немецких колонистов, приглашённых Екатериной II и Александром I для освоения Поволжья, Новороссии и других регионов. Выходцы из Баварии, включая уроженцев самого Папенхейма, селились в колониях, где фамилия закреплялась в документах именно в таком виде. Встречаются и случаи, когда фамилию получали обрусевшие немцы, служившие в российской армии или на гражданской службе, — офицеры, врачи, инженеры.

Словообразовательная модель здесь проста: фамилия не имеет суффикса, она представляет собой чистую основу — название места. С точки зрения русского языка это выглядит как несклоняемая фамилия мужского рода, хотя по немецкой грамматике она склоняется. В бытовом русском употреблении обычно говорят «Папенхейм приехал», а не «Папенхейм приехал». Суффиксальный анализ в данном случае не применим, зато можно сравнить фамилию с однокоренными: Пенхайм, Мангейм, Фридрихсхайм — все они построены по той же модели «топоним + хайм/хейм».

В ономастических справочниках фамилия Папенхейм упоминается редко, что подтверждает её малочисленность. Она не вошла в массовые словари русских фамилий (Унбегаун, Никонов) именно из-за иноязычного происхождения. Наиболее правдоподобная версия — топонимическая, и она не вызывает споров: альтернативные гипотезы (например, от прозвища «папенькин сын») лингвистически несостоятельны, так как не объясняют второй части фамилии.