Фамилия Пентюрина образована от прозвища Пентюря. В её основе лежит диалектный глагол «пентюрить» или «пентюхать», который в ряде русских говоров, особенно северных и сибирских, означал «делать кое-как, небрежно, тянуть время» или «пялить глаза, глазеть». Пентюрей называли человека медлительного, рассеянного, ротозея — того, кто «пентюрит», то есть действует вяло и нерасторопно. Слово имеет экспрессивную, сниженную окраску, характерную для бытовых прозвищ.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: Пентюрин — «сын Пентюри» или «человек из семьи Пентюри». Модель образования типична для русских фамилий, но сама основа редкая и нечастотная. В отличие от массовых фамилий на -ов/-ев, Пентюрин встречается локально, что говорит о её позднем закреплении или узком ареале бытования. Скорее всего, фамилия сложилась не в центральных, а в северных или уральских регионах, где диалектная лексика лучше сохранялась.

Есть и другая, менее вероятная версия: Пентюря могло быть уменьшительной формой от канонического имени Пантелеимон (в народе — Пантелей, Пентюх). Однако такое сокращение нехарактерно для русской антропонимии: обычно от Пантелея образовывали Пантелеев, Пантюшин, а не Пентюрин. Поэтому связь с прозвищем по характеру выглядит убедительнее.

В документах фамилия встречается с XVII–XVIII веков, в основном среди крестьян и посадских людей. В переписных книгах Вятки и Пермской губернии попадаются Пентюрины — скорее всего, потомки тех самых неторопливых хозяев, чья фамилия закрепилась за родом. Сегодня фамилия остаётся редкой, её носители живут преимущественно в Кировской области, Удмуртии и на Урале.