Фамилия Пентелеева — женская форма фамилии Пентелеев. В основе лежит мужское имя, но не каноническое, а его народно-бытовая форма. Разбираем словообразовательную цепочку: Пентелеев — это отчество от имени Пентелей, которое, в свою очередь, является просторечным вариантом крестильного имени Пантелеймон (с утратой начального «м» и заменой «а» на «е» под влиянием акающего произношения). Имя Пантелеймон греческого происхождения, означает «всемилостивый» (от «пан» — весь и «элеос» — милость).

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Пентелеев — сын Пентелея. В русской ономастике это типичная модель образования фамилий от церковных имён, которые в быту сильно искажались. Параллельно существовали фамилии Пантелеев, Пантелеевский, Пантелеймонов, а также более редкие Пентюхов, Пентешин — все они восходят к тому же корню. Пентелеева — одна из наименее частотных в этом ряду, что говорит о локальном бытовании формы «Пентелей» в конкретных говорах.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским регионам, где аканье и замена «а» на «е» в безударной позиции были нормой. В XIX веке носители фамилии встречались в Воронежской, Курской и Харьковской губерниях. Социальный состав — в основном крестьяне и мещане, так как имя Пантелеймон было распространено именно в простонародье, а в дворянской среде предпочитали полную каноническую форму.

С точки зрения истории написания, фамилия могла фиксироваться как Пентелеев, Пентелева (без двойного «е»), а в украинских метрических книгах — Пентелєєв. Вариант с окончанием -ая (Пентелеевая) встречается редко и связан с южнорусской традицией склонения фамилий на -ов/-ев.

Единственная спорная версия — связь с прозвищем Пентель от диалектного «пентель» (заплечный мешок, котомка). Она маловероятна: суффикс -еев в таком случае образовывал бы фамилию от Пентеля, а не от Пентелея. Гораздо убедительнее объяснение через имя: фамилия Пентелеева — это память о предке, которого в деревне звали не иначе как Пантелей, но на местный манер — Пентелей.