Фамилия Пателеева — вариант женского рода, а её мужская основа — Пателеев. С первого взгляда может показаться, что это искажённое написание распространённой фамилии Пантелеев (от имени Пантелеймон). Но здесь интереснее: Пателеев — не ошибка, а самостоятельная фамилия, образованная по другой модели.

В основе лежит неканоническое имя или прозвище Пателей. В русских говорах «пателя» — диалектное слово, означающее «медлительный человек», «увалень» или, в некоторых областях, «неряха». Так могли прозвать нерасторопного, флегматичного человека. Суффикс -еев указывает на принадлежность: Пателеев — сын Пателея. То есть фамилия образована не от крестильного имени, а от бытового прозвища, что типично для русских фамилий северных и центральных губерний, где прозвища часто вытесняли церковные имена в обиходе.

Однако существует и вторая версия, которую поддерживает словарь русских фамилий Б. Унбегауна. Он рассматривает Пателеев как фонетический вариант фамилии Поталеев или Потелеев. В этом случае корень восходит к слову «потель» — так в старину называли родственника со стороны жены, свойственника. Если принять эту гипотезу, то Пателеев — «сын потеля», то есть человек, чей предок был женат на ком-то из местного рода и получил прозвище по свойству. Этот вариант объясняет, почему фамилия встречается в документах XVII века в разных написаниях: Потелеев, Пателеев.

С точки зрения географии, фамилия Пателеева не массовая. Она фиксируется в основном в Вологодской, Архангельской и Костромской областях — в зоне бытования северных говоров, где слово «пателя» было в ходу. Именно там прозвищные фамилии на -еев особенно распространены.

Таким образом, предки Пателеевых — скорее всего, крестьяне или посадские люди Русского Севера, получившие фамилию по прозвищу прародителя. Второй вариант (от «потель») указывает на то, что фамилия могла возникнуть в среде, где родственные связи по жене играли важную роль в хозяйственном укладе. Спор между версиями не принципиален: в обоих случаях речь о бытовом, нецерковном корне.