Фамилия Пыхтенков — наглядный пример того, как русская фамилия может быть образована от прозвища, связанного с дыханием или характером человека. Её основа — слово «пыхтеть», то есть тяжело дышать, сопеть, издавать отрывистые звуки при напряжении. В старину «пыхтёй» или «пыхтенком» могли прозвать медлительного, неуклюжего человека, который всё делал с натугой и одышкой, или же, наоборот, вспыльчивого, «запыхавшегося» от гнева. В некоторых говорах «пыхтеть» означало также ворчать, брюзжать, так что прозвище могло относиться к человеку с тяжелым нравом.

Словообразовательная модель здесь редкая и показательная. Фамилия построена по схеме «прозвище Пыхтенок + суффикс -ов». Суффикс -енок (-онок) в русских фамилиях встречается нечасто и обычно указывает на молодость или неполноту качества: Пыхтенок — это буквально «маленький пыхтящий» или «сын того, кого звали Пыхтём». Такая форма характерна для северных и центральных регионов России, где прозвищные фамилии на -енков (-онков) были распространены шире, чем на юге. Со временем суффикс -ов добавил значение принадлежности: Пыхтенков — это «сын Пыхтенка».

В ономастических исследованиях фамилию относят к группе «дышащих» прозвищ, куда входят также Пыхов, Пыхтин, Пыхтеев. Однако Пыхтенков стоит особняком из-за уменьшительного суффикса, который может указывать на то, что прозвище закрепилось за молодым человеком или подростком, а не за взрослым мужчиной. В документах XIX века встречаются единичные упоминания крестьян с фамилией Пыхтенков в Вятской и Костромской губерниях, что подтверждает северное происхождение. Дворянских родов с этой фамилией не зафиксировано — это однозначно крестьянская или мещанская фамилия, образованная от бытового прозвища.