Фамилия Артеменев образована от просторечной формы крестильного имени Артемий — Артеменя. Имя пришло на Русь из Древней Греции, где означало «здоровый, невредимый». Суффикс -ев указывает на принадлежность: Артеменев буквально значит «сын Артемени» или «потомок Артемени».

В отличие от более распространённой фамилии Артемьев, где основа — полная форма имени, Артеменев закрепилась от уменьшительно-обиходного варианта. Такие формы в русском быту часто давали детям или людям низшего сословия, поэтому фамилия могла возникнуть в крестьянской или посадской среде, где церковное имя переделывали на свой лад. Фамилия нечастая, её очаги встречаются в центральных и южных областях России, особенно в Курской и Воронежской губерниях, где диалектное «Артеменя» бытовало устойчиво.

По модели образования фамилия типична для XVI–XVII веков, когда отчества на -ев массово закреплялись за потомками. Если сравнить с однокоренными Артемов, Артемьевых, то Артеменевых меньше — это говорит о локальном бытовании исходного прозвища или имени. В словарях русских фамилий (например, у Б. Унбегауна) подобные варианты с суффиксом -енев упоминаются как редкие, но закономерные для народной речи.