Фамилия Пентелей — редкий случай, когда в основе лежит не полное, а усечённое крестильное имя. Перед нами не Пантелеев, а более архаичная форма, сохранившая народное произношение.

В основе — имя Пантелеймон (греч. «всемилостивый»), которое в русской бытовой традиции сократили до Пантелей или Пентелей. Судя по написанию, фамилия закрепилась в форме без начального «а» — через «е». Такое стяжение характерно для южнорусских и украинских говоров, где безударные гласные редуцировались сильнее. В результате имя Пантелей превратилось в Пентелей, а от него по самой распространённой модели образовалась фамилия — с помощью суффикса -ев, указывающего на принадлежность: «сын Пентелея».

Словообразовательно фамилия проста: корень Пентелей- плюс патронимический суффикс -ев. Это типичная «отчество в именительном падеже», которая застыла и перешла в разряд фамилий. Полная форма — Пантелеев — встречается гораздо чаще, а Пентелей — её диалектный или просторечный вариант. Носитель такой фамилии мог быть потомком человека, которого в деревне звали не Пантелеем, а Пентелеем — так, как было привычнее на слух.

По сословной принадлежности предки Пентелеевых, скорее всего, были крестьянами или мещанами. Фамилии на -ев от канонических имён в этой среде — массовое явление XIX века. Дворянские роды с такой основой почти не встречаются, потому что знатные фамилии чаще оформлялись через -ов/-ев от полных форм имени.

Если сравнивать с однокоренными, то Пентелей стоит в одном ряду с Пантелеевым, Пантелеем, Пантелехиным и даже Пантелеем-Монастырским (редкая семинарская фамилия). Но Пентелей выделяется именно фонетическим обликом: он звучит как живая речь, а не как книжное имя. Это не ошибка писаря, а отражение того, как имя звучало в конкретной местности.