Фамилия Пелелыгина — женская форма, а её основа, мужская фамилия Пелелыгин, образована от прозвища или нецерковного имени Пелелыга. Слово «пелелыга» в русских говорах — редкое, но вполне прозрачное по смыслу. В словарях и этнографических материалах «пелелыга» означает нечто смятое, перекрученное, неаккуратное, а в переносном смысле — человека медлительного, нерасторопного или того, кто «перебирает», копается. Корень здесь тот же, что в глаголе «пелелять» — шататься, ходить вразвалку, или «пелелить» — переливать, пересыпать без толку.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ин указывает на принадлежность — «чей?» — «сын Пелелыги». Такая схема характерна для прозвищ, оканчивающихся на -а/-я, и широко распространена в северных и центральных областях России. В отличие от фамилий на -ов, которые чаще образовывались от имён на твёрдый согласный, -ин закреплялся за основами на мягкий или шипящий.

Географически фамилия Пелелыгин редкая и локальная. Наибольшая концентрация носителей зафиксирована в Вятском регионе и в Пермском крае — это зона бытования севернорусских говоров, где слово «пелелыга» и могло сохраниться. Встречаются Пелелыгины и в Сибири, куда переселенцы из Вятки уходили в XVIII–XIX веках. Спорных версий происхождения у фамилии немного: иногда её связывают с диалектным «пелеля» — плетень, но это менее убедительно, так как слово «пелелыга» фиксируется именно как прозвище, а не как название предмета.

Социальный контекст говорит о крестьянском происхождении: прозвище давали в быту, и оно закрепилось за родом, перейдя в фамилию. Никаких дворянских корней у Пелелыгиных не прослеживается — это фамилия земледельцев и ремесленников. Ударение в фамилии, судя по живой речи, падает на второй слог: Пелелы́гин.