Фамилия Попёлкина — женская форма, а её мужской вариант — Попёлкин. В основе лежит прозвище или нецерковное имя Попёлка. В русской традиции так могли назвать ребёнка, родившегося «в попёлке», то есть в золе, в пепле. Обычно так говорили о младенце, появившемся на свет в бане или прямо у печи, где было тепло и темно, — в прямом смысле «в золе». Второе, менее бытовое значение — «смуглый, чернявый, как головешка», то есть прозвище по цвету волос или кожи.

Словообразовательная модель проста: к основе Попёлк- (от «попёл», диалектного варианта слова «пепел») добавили суффикс -ин, указывающий на принадлежность: «чей?» — Попёлкин, то есть сын или дочь Попёлки. Суффикс -к- в основе — уменьшительно-ласкательный, так что Попёлка — не просто «пепел», а «пепелок, золка». Такая форма типична для северных и центральных говоров, где «попёл» звучало естественнее, чем литературное «пепел».

Фамилия редкая, не из числа распространённых дворянских или купеческих. Встречается преимущественно в Поволжье и на северо-востоке европейской России — в Кировской, Нижегородской областях, в Удмуртии. Там диалектное «попёл» сохранялось дольше, чем в литературном языке. В отличие от фамилии Пепеляев (от «пепел»), Попёлкин — более народная, «деревенская» форма, без книжного налёта.

Споров о происхождении почти нет. Единственная альтернативная версия — связь с польским «popełka» (бабочка, мотылёк), но для русской фамилии она маловероятна: в польских землях фамилия почти не зафиксирована, а в русских говорах слово «попёлка» в значении «бабочка» не известно. Правдоподобнее всего — именно зольное, печное прозвище.

Сословно носители фамилии, судя по архивным данным XIX века, были крестьянами и мещанами. Например, в метрических книгах Вятской губернии Попёлкины записаны как государственные крестьяне. Никаких известных дворянских родов с этой фамилией нет.