Фамилия Пельтемова — женская форма фамилии Пельтемов, и её разбор стоит начать с неожиданного: в ней нет суффикса -ов в привычном смысле. Основа здесь — Пельтем-, а окончание -ов — это уже русский патронимический суффикс, который присоединили к чужеродному корню. Такая модель встречается, когда исходное слово или прозвище заканчивается на твёрдый согласный, и фамилию «обрусевают» стандартным способом.

Самая вероятная версия происхождения — от прозвища Пельтем, которое восходит к тюркскому корню. В тюркских языках есть слова типа «бельтем», «бельдем» — обозначение пояса, кушака, перевязи. В русских говорах слово «пельтем» могло означать нечто связанное с ремнём, подпругой или даже видом одежды. Прозвище могли дать человеку, который носил характерный пояс, занимался изготовлением ремней или имел какую-то особенность в походке, связанную с перевязью. Также возможно, что корень связан с глаголом «пельтять» (путать, мешать) в некоторых диалектах, но это менее надёжно.

Географически фамилия Пельтемов тяготеет к регионам бывшего Казанского ханства и Поволжья — Татарстан, Башкортостан, Удмуртия, а также к соседним областям с тюркским населением. В русских переписных книгах XVI–XVII веков встречаются фамилии на -емов, -имов, образованные от тюркских имён, и Пельтемов мог возникнуть в той же среде. Носители фамилии могли быть выходцами из служилых татар, крещёных инородцев или русских крестьян, перенявших прозвище от соседей.

Вторая, менее распространённая версия — от финно-угорского корня, например, от коми-пермяцкого «пель» (ухо) или «пельтöм» (глухой). Но тогда фамилия скорее имела бы вид Пельтёмов, с ударением на второй слог, а не Пельтемов. К тому же суффикс -емов в финно-угорских фамилиях редкость, поэтому версия с тюркским поясом выглядит убедительнее.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Пельтихин, Пельтяев, Пельменев — показывает, что основа «пельт-» в русских фамилиях встречается, но не массово, что говорит о локальном, возможно, даже односельском происхождении. Носители фамилии Пельтемова, скорее всего, происходят из одного или нескольких соседних сёл, где прозвище закрепилось за родом. Точных сведений о дворянском или купеческом происхождении нет — фамилия осталась в крестьянской и мещанской среде.