Фамилия Плёхин образована от прозвища Плёха. В русских говорах «плёха» — это нерасторопный, медлительный человек, разиня. Слово родственно глаголу «плестись» — двигаться медленно, с трудом, и «плехаться» — плескаться, возиться в воде, тоже без особой цели и скорости. Таким образом, Плёхой могли назвать того, кто всё делал не спеша, копался, или, напротив, человека неряшливого, неаккуратного в работе.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей сын?» — Плёхин, то есть сын Плёхи. Это типичная модель русских фамилий, особенно распространённая на севере и в центральных областях России. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще образовывались от имён и прозвищ на твёрдый согласный (Плёхов — от Плёх), форма Плёхин закрепилась от основы на -а.

Встречается и другая, менее вероятная версия: связь с диалектным словом «плёха» в значении «плохая, дрянная вещь» или даже «плешь, лысина». Но основное значение — через медлительность и нерасторопность — поддерживается устойчивой глагольной параллелью и встречается в ономастических работах, в частности, у Б. Унбегауна, который разбирает подобные прозвищные фамилии.

Географически фамилия Плёхин тяготеет к Вологодской, Кировской и Архангельской областям — регионам, где сохранились архаичные говоры и где прозвища с суффиксом -а были особенно живучи. Встречается и вариант написания с буквой «ё» — Плёхин, что важно для правильного произношения и склонения: ударение падает на корень, Плёхина, Плёхину.

По социальному составу носители фамилии относились в основном к крестьянскому сословию, реже — к мещанам. Фамилия недворянская, не образована от канонического имени, а значит, её корни — в бытовом, деревенском прозвище, которое давали по характеру или поведению.