Фамилия Пелагеен — довольно редкая и прозрачная по происхождению, несмотря на необычное для русского уха окончание. Она образована от женского имени Пелагея (греч. Πελαγία — «морская»). В русской традиции это имя получило широкое распространение благодаря христианской святой Пелагее Тарсийской, почитаемой с древних времён.

Модель образования фамилии — одна из самых старых и простых в русском языке: суффикс -ен (фонетический вариант -ён) указывает на принадлежность: «чей?» — «Пелагеен», то есть сын, потомок Пелагеи. Такая форма характерна для северных и центральных областей России, где фамилии на -ин (от женских имён) встречаются реже, чем на -ов/-ев, а вот на -ен — ещё реже. В отличие от привычного «Пелагеин» (с суффиксом -ин), вариант «Пелагеен» гораздо менее распространён и выбивается из общей картины. Он мог возникнуть в тех говорах, где после мягкого согласного (звук [г'] в основе «Пелаге-») ударение смещалось, и суффикс произносился как -ён, а на письме закрепился как -ен.

Скорее всего, предок носителя этой фамилии был сыном женщины по имени Пелагея. В крестьянской среде, где фамилии часто складывались стихийно в XVII–XIX веках, прозвище «Пелагеен» (или «Пелагеёнок») давали ребёнку, чтобы отличить его от других детей в деревне: «Пелагеин сын». Позже это прозвище закрепилось как фамилия. В официальных документах (ревизских сказках, метриках) форма могла записываться как «Пелагеин», но в устной речи и в быту сохранился именно вариант с -ен.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Пелагеин, Пелагеевский, Пелагин, — то Пелагеен стоит особняком. Это не дворянская или купеческая фамилия (они обычно имели суффиксы -ов или -ский), а скорее крестьянская, возможно, из северных губерний (Архангельская, Вологодская, Олонецкая), где женские прозвища в качестве фамилий встречались чаще. Сегодня найти носителей фамилии Пелагеен сложно: по данным некоторых открытых баз, она встречается единично, в основном в России и на Украине, что подтверждает её локальное происхождение.