Фамилия Пенвеллин — редкий случай в русском ономастиконе. Её звучание и структура выдают нерусское происхождение: в исконных русских фамилиях почти не встречается сочетание «пн» в начале слова, а суффикс «-ин» здесь присоединён к основе, которая явно не славянская.

Скорее всего, перед нами фамилия английского или кельтского корня, русифицированная через суффикс -ин. Исходная форма — Penvellyn или Penfellyn. В основе лежит корневая часть «pen-», которая в валлийском и корнском языках означает «голова», «вершина» или «холм». Вторая часть «-vellin» может восходить к личному имени или топониму. Например, в Корнуолле (юго-запад Англии) существует фамилия Penvellyn, связанная с местностью или прозвищем человека, жившего у холма. Другой вариант: «Pen» + «Melyn» (валл. «жёлтый») — «жёлтый холм» или прозвище человека со светлыми волосами.

Как эта фамилия попала в Россию? Вероятно, через обрусевших иностранцев — британских специалистов, приглашённых на службу в XVIII–XIX веках (инженеры, моряки, врачи), или через потомков смешанных браков. Суффикс -ин в русском языке традиционно образовывал притяжательные фамилии: «чей?» — Пенвеллин, то есть «сын (или слуга) Пенвеллина». Это типичный способ адаптации иноязычных фамилий в крестьянской и мещанской среде.

В дореволюционных метрических книгах фамилия Пенвеллин могла писаться с искажениями: Пенфелин, Пенвелен, Пинвеллин — из-за непривычного звучания для русского уха. Носители, скорее всего, принадлежали к городским сословиям (мещане, купцы, обедневшие дворяне), а не к крестьянству, поскольку в деревнях такие экзотические фамилии почти не приживались.

Сегодня Пенвеллин — фамилия-раритет. Её носители, если они есть в России, с высокой вероятностью сохранили память об иностранном предке, приехавшем в страну по службе или воле случая. Других версий происхождения (например, от тюркского или финно-угорского корня) нет — все лингвистические признаки указывают на западноевропейский, конкретнее — бриттский источник.