Фамилия Польгейм — редкая, не вписывающаяся в типичную модель русских фамилий на -ов, -ев или -ин. Её форма выдает немецкое или еврейское (ашкеназское) происхождение: в немецком языке фамилии, оканчивающиеся на -heim, указывают на географическое название места, где жил первый носитель. Элемент «-гейм» (нем. Heim — «дом», «жилище») часто встречается в названиях населенных пунктов Германии и Австрии. Первая часть, «Поль», скорее всего, восходит к личному имени Paul (Пауль, русский аналог — Павел) или к топониму с этим корнем. Таким образом, Польгейм — это «дом Пауля» или «поселение Пауля». Вероятно, предок носителя фамилии происходил из места с таким названием, например, из одного из нескольких населенных пунктов Pohlheim в Гессене или Польгейм в Баварии.

В России фамилия могла появиться вместе с немецкими колонистами, которых приглашала Екатерина II в XVIII веке для освоения Поволжья. Немцы-переселенцы нередко брали фамилии по названию родной деревни. Позже, в XIX–XX веках, носители фамилии могли обрусеть, но сохранили написание, нехарактерное для славянской ономастики.

Словообразовательная модель здесь — чистый топоним без суффикса, типичный для немецких фамилий. В русском языке она не склонялась по падежам как типичная фамилия: «Польгейм» остаётся неизменной. Редкость фамилии делает её отличным маркером для генеалогического поиска: если вы носите Польгейм, с высокой вероятностью ваши предки были немецкими колонистами или переселенцами из немецкоязычных земель. Других версий происхождения (например, от польского корня) не встречается — звучание и написание однозначно указывают на германскую основу.