Фамилия Попелхов звучит неожиданно резко для русского уха, и это не случайно. Её основа — не «попел» и не «пепел» в привычном виде, а, скорее всего, прозвище Попел (или Попела), образованное от глагола «попелять» — то есть «пепелить, сжигать, превращать в золу». В старых говорах «попел» означало то же, что и «пепел» — золу, остатки от сгоревшего. Человек мог получить такое прозвище по роду занятий: возможно, он был углежогом, золотарем (выгребавшим золу из печей) или просто жил на пепелище. Вторая версия, менее вероятная, связывает основу с диалектным «попел» — «толстый, пухлый человек», но она не находит широкой поддержки в ономастике.

Модель образования фамилии — патроним на -ов, то есть «сын Попелха». Суффикс -х- в основе (Попел-х-) — характерная черта севернорусских и некоторых западнорусских говоров, где личные имена и прозвища нередко укорачивали с помощью этого элемента: Петруха, Михалка, а от них — Петрухин, Михалкин. Попелха — это, по сути, разговорная, «домашняя» форма прозвища Попел, которая потом закрепилась в фамилии. Такая словообразовательная цепочка встречается редко, что делает фамилию локально привязанной к определённым регионам — вероятнее всего, к бывшим новгородским или вятским землям.

В написании фамилии обращает на себя внимание конечное -ов, а не -ев. Если бы основа заканчивалась на мягкий согласный или «й», мы бы видели Попелхов (что невозможно), но здесь твёрдый «х» — «Попелх» — дал именно -ов. Это окончательно снимает версию о связи с фамилией Попельский или Попель (польского происхождения) — перед нами чисто восточнославянская, скорее всего, русская крестьянская фамилия, возникшая в среде, где прозвища давали по бытовым, ремесленным или топографическим признакам.

В дореволюционных переписях и метрических книгах фамилия практически не встречается — это говорит о её крайней редкости. Носители Попелховы, если и были, то жили небольшими гнёздами в глухих деревнях, и фамилия не успела распространиться широко. Сейчас её можно найти разве что в единичных записях по Вологодской, Кировской или Архангельской областям. Однокоренные фамилии — Попелов, Попельников, Попелыгин — тоже редки, но Попелхов стоит особняком из-за своего необычного суффиксального оформления.