Фамилия Пепелин образована от прозвища или нецерковного имени Пепел. В старину на Руси такие «зольные» имена — Пепел, Зола, Уголь — давали не в обиду, а как оберег: считалось, что имя, связанное с чем-то недолговечным или низким, отведет от ребенка внимание злых сил и сделает его незаметным для болезней. Прямое значение прозвища — «человек, похожий на пепел»: либо бледный, либо пепельно-русый, либо сухой и легкий. В говорах встречалось и переносное значение «пепел» как «ничтожество», но для фамильного прозвища это маловероятно — скорее, бытовая или цветовая характеристика.

Фамилия построена по продуктивной модели на -ин: суффикс указывает на принадлежность, то есть Пепелин — «сын Пепела» или «человек из рода Пепела». Вариант с -ин, а не с -ов, типичен для основ на мягкий согласный или на -а/-я. В данном случае основа «Пепел» дала форму «Пепелин» (как «Соколин» от «Сокол» или «Козин» от «Коза»). Если бы прозвище звучало как «Пепель» (с мягким знаком на конце), фамилия могла бы стать Пепелев, но закрепился именно вариант с твердым «л».

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным регионам России. По данным переписей XIX века, Пепелины чаще всего встречались в Вологодской, Костромской и Вятской губерниях — областях, где сохранялась архаичная система нецерковных имен. Встречается и однокоренная фамилия Пепелов — она более редкая и может указывать на другой диалектный вариант прозвища (Пепел через «оло»: в северных говорах «пепел» произносили как «попел», отсюда Попелин, но это отдельная ветвь).

В ономастических справочниках фамилия не относится к числу дворянских или купеческих. Основная масса носителей — крестьяне и мещане. Связи с прозвищем от слова «пепелить» (палить, жечь) нет: глагол «пепелить» в значении «сжигать дотла» — позднее книжное образование, а в народной речи для обозначения паленого или золы использовали другие корни. Так что Пепелин — фамилия обережная или описательная, без связи с ремеслом.