Фамилия Пентелева — женская форма, мужской вариант — Пентелев. Редкая фамилия, и её происхождение не лежит на поверхности. Чтобы понять корень, нужно отбросить суффикс -ев, который указывает на принадлежность («чей?» — сын Пентеля). Основа — Пентель, и здесь открывается поле для версий.

Самая прямая версия — сокращение от имени Пантелеимон (в просторечии Пантелей). В русских говорах имя нередко усекали до Пантеля, а затем и до Пентеля. Так Пантелеимонов превращался в Пентелевых. Поддерживает эту версию и типичный суффикс -ев, свойственный фамилиям от церковных имён. Если так, то предок носителя фамилии был крещён в честь святого Пантелеимона, почитаемого целителя.

Вторая версия, менее вероятная, но не исключённая, — прозвище Пентель от диалектного слова. В некоторых говорах «пентель» могло означать что-то вроде «пенёк» или «коротыш» (сравните с «пентюх» — неуклюжий, грубый человек). Однако для прозвищной фамилии странен суффикс -ев, обычно они оформляются как Пентелев, что больше похоже на патроним.

География фамилии размыта, но встречается она в центральных и южных областях России, что косвенно указывает на связь с народной формой имени, а не с редким местным диалектом. Важно и написание: ударение, скорее всего, падает на первый слог — Пе́нтелева, что тоже характерно для имён, адаптированных бытовой речью (сравните: Пантеле́й → Пе́нтель).