펜타토닉스는 미국의 텍사스 알링턴에 위치한 Martin 고등학교에서 같이 자란 미치 그래시, 스콧 호잉, 커스티 멀도나도 이 세명의 멤버로 시작되었다. 지방 방송에서 글리 출연자들을 충족시키기 위해 대회를 개최한다는 소식을 들은 멤버들은 "Telephone"을 각색하여 트리오 버전을 만들었고 이것을 방송국으로 보낸다. 비록 이 곡이 수상곡은 아니었으나 학교 주위에서 관심을 끄는 데 성공해 그들을 공연무대까지 끌어올리게 된다. "Telephone" 후속 버전이 유튜브에서 관심을 끌기 시작함에 따라 공연은 계속됐다.
스콧 호잉과 커스티 멀도나도는 2010년에 Martin 고등학교를 졸업하였고, 스콧 호잉은 대중 음악 박사 학위 취득을 위해 Southern California(USC) 대학으로, 커스티 멀도나도는 Oklahoma 대학에 진학하여 뮤지컬 학과를 전공한다. 미치 그레시는 세 멤버중 가장 어려 Martin 고등학교에서 최고 학년을 재학하고 있었다.
USC 대학에서 SoCal VoCals 이라고 불리는 아카펠라 그룹에 가입한 스콧 호잉은 SoCal VoCals를 통해 "The Sing-Off"에 알게 되고, 그룹의 편곡자 이자 PD, 사운드 엔지니어인 벤 브람(Ben Bram)이 스콧 호잉에게 그 쇼의 오디션에 참가할 것을 권한다. 이에 스콧 호잉은 커스티 멀도나도와 미치 그레시를 설득하지만 오디션의 최소 참석 인원은 4명. 추가로 멤버가 필요했다.
스콧 호잉은 지인을 통해 아카펠라 커뮤니티에서 보컬 베이스로 많이 알려진 아비 카플랜을 만난다. 이후 세 사람은 유튜브에서 케빈 올루졸라가 비트박스를 하며 첼로를 연주하는 동영상을 보게 되었다(케빈 올루졸라는 유튜브에서 "첼로박싱(CelloBoxing)" 이라는 이름으로 유명했다). Yale 대학(예비 의대)를 졸업했으며 중국어에 유창한 케빈은 중국에서 공부하기 위해 몇년을 보낸 적이 있었다고 한다.
이렇게 모인 이들은 The Sing-Off 시즌3가 시작되는 오디션 전날에 모였는데, 이 때 미치 그레시는 오디션 시간에 맞춰 도착하기 위해 그의 고등학교 졸업식을 빼먹었다는 여담이 있다. 그들은 성공적으로 오디션을 마쳤고 결국 The Sing-Off 시즌3 우승 타이틀에 오를 수 있었다.
펜타토닉스 라는 이름은 케빈이 제안한 이름으로, "Pentatonic scale(5음계)"에서 따와 만들었다. 이 이름이 그들의 구성인원과 딱 맞아들어가는 까닭이었다.
이후 더 매력적인 이름을 위해 마지막 철자를 "c"에서 "x"로 바꿈으로서 현재의 이름을 갖게 된다.
