Фамилия Пенетелейчук — редкий пример украинской фамилии, образованной от полной церковной формы имени Пантелеимон. В основе лежит имя Пенетелей (народный вариант Пантелей), которое в украинской традиции часто произносили как «Пентелей» или «Пенетелей». Суффикс -чук указывает на западноукраинское происхождение: он типичен для Волыни, Подолья, Галичины и означает «сын» или «потомок». Таким образом, Пенетелейчук буквально — «сын Пенетелея», то есть потомок человека по имени Пантелеимон.

Имя Пантелеимон (греч. «всемилостивый») было широко распространено в православной среде благодаря святому великомученику Пантелеимону, покровителю врачей и воинов. В украинских говорах имя упрощалось до Пантелей, Пентелей, а в некоторых диалектах — до Пенетелей. Фамилии на -чук от полных форм имени встречаются реже, чем от уменьшительных (вроде Пантелейчук или Пантелеев), поэтому Пенетелейчук выделяется своей архаичностью и точной передачей исходного имени.

Географически фамилия, скорее всего, привязана к Западной Украине — возможно, к Волынской или Ровенской области, где суффикс -чук особенно распространен. В документах XIX — начала XX века такие фамилии часто фиксировали у крестьян и мещан, реже — у казаков. Социальный статус предков был, вероятно, крестьянским, но точных данных о сословной принадлежности носителей нет.

Написание с «е» в первом слоге (Пенетелейчук, а не Пантелейчук) — не ошибка, а отражение местного произношения. В украинских говорах «а» после мягких согласных нередко переходило в «е» (сравните: «Пантелей» → «Пентелей»). Это делает фамилию ценным диалектным маркером: по ней можно судить, из какого региона происходил род. Встречаются также варианты Пантелейчук, Пентелейчук, но Пенетелейчук — самый редкий и точный в передаче исходного антропонима.