Фамилия Балмачеев — наглядный случай, когда прозвище, лёгшее в основу, давно вышло из обихода, а фамилия осталась. Она образована по самой распространённой русской модели: от прозвища Балмачей с помощью патронимического суффикса -ев. Суффикс указывает на принадлежность: Балмачеев — сын Балмачея.

Корень «балмач-» звучит не по-русски. Самая правдоподобная версия связывает его с тюркскими языками. В ряде тюркских наречий «балмач» или близкое слово означало человека, который «не понимает», «не смыслит», «бестолковый» (от глагола «билмек» — знать, понимать, с отрицательной частицей). Прозвище Балмач могли дать нерасторопному, несообразительному человеку, либо, в ироничном ключе, — чудаковатому. Встречается и версия, что «балмач» — искажённое «балмах», что в некоторых тюркских диалектах значит «мед», «сладость», и тогда прозвище могло относиться к сладкоежке или кондитеру, но эта гипотеза менее убедительна из-за фонетического расхождения.

На письме фамилия могла закрепиться в двух вариантах: Балмачеев и Болмачеев (через «о» в первом слоге — следствие аканья, когда безударное «а» произносится как «о»). В старых документах, особенно в южнорусских и поволжских записях, встречается написание Болмачеев. Географически фамилия тяготеет к регионам бывшего Дикого поля и Поволжья, где было сильное тюркское влияние: Ростовская, Волгоградская, Саратовская области, а также казачьи земли.

Сословного барьера у фамилии не было. Балмачеевы могли быть как крестьянами, так и однодворцами, реже — мещанами. В дворянских родословных книгах эта фамилия не числится, что указывает на её происхождение из непривилегированных слоёв. Редкость фамилии объясняется тем, что прозвище Балмач было не слишком лестным и, скорее всего, не передавалось из поколения в поколение как родовое имя — оно закрепилось лишь в отдельных ветвях.