Фамилия Пелюгин образована от прозвища или нецерковного имени Пелюга. В русских говорах у слова «пелюга» несколько значений, и все они связаны с диалектной лексикой северо-запада и центра России. Наиболее вероятное — «пелюга» как разновидность пеленки, лоскут ткани, или «пелюга» в значении «нечто мелкое, невзрачное» (сравните с «пелюшка» — мелкий горох). В некоторых областях так называли человека маленького роста или щуплого телосложения, а в псковских и тверских говорах — просто ребенка, малыша. Таким образом, основа фамилии — прозвище по внешности или по возрасту.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: Пелюгин буквально означает «сын Пелюги» или «человек из семьи Пелюги». Это типичная модель русских фамилий, образованных от прозвищ на -а/-я (ср. Дружинин, Гаврилин). Интересно, что в отличие от фамилий на -ов, которые чаще давали по отцу с окончанием на согласный, суффикс -ин здесь закрепился из-за мягкого окончания основы.

Географически фамилия тяготеет к северо-западным областям — Новгородской, Псковской, Тверской, а также к Вологодчине. Именно там фиксируются диалектные формы слова «пелюга». Встречаются и однокоренные фамилии: Пелюгин, Пелюшкин, Пелюхов. В документах XVII века можно найти упоминания крестьян с прозвищем Пелюга в писцовых книгах Бежецкой пятины, что косвенно подтверждает новгородские корни.

Версия о связи фамилии с украинским или белорусским словом «пелюга» (пеленка) тоже возможна, но менее вероятна: суффикс -ин характерен именно для великорусской антропонимии, а в украинской и белорусской традиции чаще встречались бы формы Пелюга (без суффикса) или Пелюженко. Сословно фамилия, скорее всего, крестьянская или посадская — дворянских родов Пелюгиных в родословных книгах не отмечено.