Фамилия Павленкина — редкий пример, когда женская форма закрепилась в документах как исходная, а мужской вариант (Павленкин) существует как производный. В основе лежит имя Павел (от лат. paulus — «малый», «скромный»), но путь образования нестандартный. Если бы фамилию создали по простой модели «Павел + -ов», вышло бы Павлов. Вместо этого взяли уменьшительно-ласкательную форму Павленка (укр. Павленко — «маленький Павел», «сын Павла») и добавили русский притяжательный суффикс -ин. Получилось буквально: «чей? — Павленкин», то есть «сын Павленки», внук человека, которого звали Павленко.

Такая двойная суффиксация (-енк- + -ин) встречается нечасто. Обычно фамилии на -енко остаются без изменений и не склоняются, а здесь их «обрусели», приспособив к русской грамматике. Это говорит о том, что предки жили на стыке украинской и русской языковых традиций — скорее всего, на юге России, в Курской, Воронежской или Ростовской губерниях, где фамилии на -енко были массовыми, но часть населения перешла на великорусскую модель склонения.

Мужской вариант Павленкин оформился по тому же принципу, что и Степаненкин, Григоренкин, Федосенкин: отчество от украинского прозвища-патронима. В женской форме Павленкина фамилия могла закрепиться, если в семье не было сыновей или женщина после замужества получила прозвание от отца (по старой традиции, жену называли «Павленчиха» или «Павленкина»). Сословных ограничений у фамилии нет: её могли носить и крестьяне, и мещане, и однодворцы южных окраин.

Корень Павлен- встречается также в фамилиях Павленко (самая частая), Павленков, Павлентьев, но Павленкина стоит особняком — она самая редкая в этом ряду. Если искать по архивам, основная масса носителей сосредоточена в Белгородской и Воронежской областях, что подтверждает версию о южнорусском происхождении.