Фамилия Петленков образована от прозвища Петленок. В основе лежит слово «петля» — в разных говорах им называли не только шнур с узлом, но и извилистую дорогу, излучину реки, а также хитроумного, увёртливого человека. Прозвище Петленок могли дать тому, кто «петлял» в разговоре, избегал прямых ответов, или тому, кто жил на повороте, у изгиба дороги. Суффикс -енок (в диалектной форме -ёнок) в русских фамилиях указывает на молодое существо или потомка: Петленок — «маленький Петля», «сын Петли». Такая модель характерна для северных и центральных областей России, где прозвища на -ёнок активно превращались в фамилии.

Фамилия Петленков встречается в основном в Тверской, Псковской и Новгородской областях. Это неудивительно: именно в этих краях было распространено именование людей по прозвищу с уменьшительным суффиксом, которое затем закреплялось за родом. В документах XVII–XVIII веков можно найти крестьян и посадских людей с похожими прозвищами — Петля, Петлик, Петленок. Со временем фамилия приобрела стандартную форму на -ов: Петленков, то есть «из рода Петленка».

Версия о происхождении от имени Пётр (через форму Петленя) менее вероятна: если бы основа была от имени, мы бы ожидали фамилию Петренков или Петруленков. Форма Петленков прямо указывает на прозвище, а не на крестильное имя. Есть ещё гипотеза, что в основе лежит диалектное «петля» в значении «петух» (по звукоподражанию), но она не подкреплена надёжными источниками.

Фамилия Петленков не относится к дворянским или купеческим родам — носители её в основном были крестьянами и ремесленниками. Встречается она нечасто, что делает её интересной для локальной истории: по ней можно проследить, как прозвище, данное одному человеку за его характер или место жительства, стало родовым именем для целой ветви.