Фамилия Белеменко — украинская по своему происхождению, что выдает суффикс -енко. В украинской ономастике это самый распространенный патронимический суффикс, который буквально означает «маленький» или «сын». То есть Белеменко — это «сын Белемена» или «потомок Белемена». Вопрос упирается в то, что скрывается за основой «Белемен».

Самая вероятная версия связывает фамилию с тюркским корнем «белем» (bilim, belen), что переводится как «знание», «ученость» или «опыт». В запорожских реестрах и казачьих списках встречаются прозвища, образованные от тюркских слов — это наследие тесных контактов с Крымским ханством и османскими владениями. Человек по прозвищу Белемен мог быть знахарем, толмачом (переводчиком) или просто слыть умным, сведущим. Суффикс -ен в основе (Белемен) — характерная черта тюркских прилагательных, которые на русской почве осмыслялись как прозвища.

Есть и альтернативная, но менее убедительная версия — от диалектного украинского или белорусского глагола «белеменіти» (говорить бессвязно, бормотать или, в некоторых говорах, «белемесить» — месить грязь, делать что-то небрежно). В этом случае фамилия образовалась бы от прозвища, данного нерасторопному или косноязычному человеку. Однако такая версия слабее: во-первых, глагол редкий и локальный, во-вторых, фамилии на -енко в массе своей образовывались от личных имен или устоявшихся прозвищ, а не от случайных глагольных форм.

Географически фамилия Белеменко привязана к югу Украины, прежде всего к Запорожской и Днепропетровской областям, а также к Краснодарскому краю в России, куда в конце XVIII — XIX веке переселялись запорожские казаки. Встречаемость фамилии невысокая, что говорит о ее позднем оформлении и локальном бытовании. По сословной принадлежности предки Белеменко, скорее всего, относились к казачеству или крестьянам, но не к шляхте — патронимическая модель на -енко типична именно для непривилегированных слоев.

В написании фамилии возможны варианты: Белеменко, реже Белеменко (с ударением на второй или третий слог). В документах XIX века она могла фиксироваться через «ѣ» (Бѣлеменко), но это не меняет сути — фамилия прочно держится за тюркское «знание», а не за славянское «белемесить».