Фамилия Пентяшкин образована от прозвища Пентяшка — так в старину могли называть предка, от которого пошёл род. Само прозвище, скорее всего, связано со славянским словом «пенть» или македонским «пент», что означает «пять». В этом случае Пентяшка — внутрисемейное имя для пятого ребёнка: в больших крестьянских семьях, где детей было по многу, порядковый номер часто заменял личное имя в быту. Эта версия выглядит наиболее правдоподобной, поскольку прозвища по счёту детей встречаются у многих народов и не требуют сложных допущений.

Есть и другие гипотезы, но они уступают первой в убедительности. Согласно одной из них, прозвище ведёт начало от старолитовского слова pentis — «обух», то есть часть острого орудия. Тогда предок мог заниматься изготовлением инструментов или оружия. Другая версия отсылает к польскому pienta — «пятка»: в старину говорили «показать пятки», то есть убежать, и такое прозвище могли дать быстроногому человеку. Наконец, Пентяшку могли связать с глаголом «пентерить» — «вталкивать, впихивать, тащить тяжесть», что указывало бы на физическую силу или упрямство носителя.

Словообразовательная модель фамилии проста и типична для русских родовых имён: суффикс -ин присоединяется к основе, оканчивающейся на гласный, и отвечает на вопрос «чей?». Пентяшкин — значит «сын Пентяшки», потомок человека с этим прозвищем. Такая модель широко распространена в северных и центральных русских говорах, где фамилии на -ин встречаются чаще, чем на юге.

Само прозвище Пентяшка звучит уменьшительно-ласкательно, с оттенком простонародной теплоты. Подобные формы на -шка в старину образовывали от имён, прозвищ и даже названий предметов, и они часто закреплялись за человеком на всю жизнь, а затем переходили к детям уже как фамилия. Потомок человека по прозвищу Пентяшка со временем получил фамилию Пентяшкин, и она закрепилась в роду.