Фамилия Попеленков образована от прозвища или мирского имени Попеленок. В её основе лежит слово «попел» — устаревший вариант слова «пепел». Соответственно, Попеленком могли назвать ребёнка с очень светлыми, пепельными волосами. Такие прозвища по цвету волос были распространены в русских деревнях: Беляк, Черныш, Рыжик, Седой. Попеленок — уменьшительная форма, указывающая на молодость носителя прозвища.

Суффикс -ов в фамилии Попеленков — типичный патронимический. Он отвечает на вопрос «чей?» и означает «сын Попеленка». То есть Попеленков — это потомок человека, которого звали Попеленок. Модель образования «прозвище + -ок + -ов» встречается реже, чем «прозвище + -ов», что делает фамилию не совсем стандартной, но вполне объяснимой.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским землям, где слово «попел» (пепел) употреблялось активнее, чем в северных говорах. Встречаются однокоренные фамилии: Попелов, Попелюх, Попель, а также украинский вариант Попеленко. Все они восходят к той же основе — цветовой характеристике внешности.

Вторая, менее вероятная версия, связывает фамилию с профессиональной деятельностью: «попел» могло быть прозвищем золольщика или человека, работавшего с золой (например, при выварке поташа). Но для этой гипотезы нет убедительных исторических свидетельств, и она уступает первой по правдоподобию. Цвет волос — самое прямое и естественное объяснение для прозвища, которое потом закрепилось как фамилия.