Фамилия Павелькина — женская форма, а мужская, соответственно, Павелькин. Она образована от имени Павелька, которое было народной, обиходной формой крестильного имени Павел. Такое стяжение с уменьшительно-ласкательным суффиксом -к- (Павел → Павелька) было типично для русской деревни: так сына Павла звали в семье и в соседской среде, а потом прозвище перешло к его детям.

Словообразовательная модель здесь простая и прозрачная: основа Павельк- плюс притяжательный суффикс -ин, указывающий на принадлежность («чей?» — Павелькин, то есть сын Павельки). Это одна из самых массовых моделей русских фамилий, но с одной особенностью: суффикс -ин присоединяют к основам на -а/-я, в отличие от фамилий на -ов/-ев (сравните: Павлов, но Павелькин). Разница возникла из-за того, что имя Павелька склонялось по «женскому» типу, как и многие уменьшительные мужские имена (Ивашка, Федька).

В ономастике фамилию Павелькин относят к так называемым «полуотчествам» — они фиксировали не имя отца, а его обиходное прозвище, которое в быту почти вытеснило полное имя. Если обратиться к словарю Б. Унбегауна «Русские фамилии», то подобные образования (от форм на -ка) он считает характерными для северных и центральных областей России, хотя встречаются они повсеместно. Встречаются и однокоренные фамилии: Павлов, Павленков, Павлюков, но Павелькин стоит особняком — его основа сохранила редкий вариант имени с мягким знаком.

По сословному происхождению Павелькины могли быть как крестьянами, так и посадскими людьми. Фамилия не дворянская, не книжная, а бытовая — её давали в среде, где человека называли просто по отцу: «Иван, Павелькин сын». Со временем прозвище закрепилось как фамильное имя, и сейчас её носители разбросаны по разным регионам, хотя заметная концентрация прослеживается в Поволжье и некоторых областях Черноземья.