Фамилия Бухелев — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не ремесло, а, скорее всего, прозвище, связанное с внешностью или характером. Разбираем её по составу: корень «бухел» и типичный русский фамильный суффикс «-ев», указывающий на принадлежность («чей?» — Бухелев, то есть сын или потомок Бухела). Суффикс «-ев», а не «-ов», ставится после мягких согласных и шипящих, что здесь и происходит.

Самое правдоподобное объяснение корня «бухел» — от диалектного слова «бухлый» или «бухнуть», то есть разбухнуть, набухнуть, вспухнуть. В русских говорах «бухлый» означало рыхлый, опухший, одутловатый. Прозвище Бухел могли дать человеку с полным, одутловатым лицом или склонному к отёчности. Менее вероятная, но допустимая версия — связь с глаголом «бухать» (громко говорить, падать с шумом, бить), тогда прозвище могло относиться к шумному, грузному или неуклюжему человеку. В любом случае, основа — не каноническое имя и не географическое название, а бытовая характеристика.

По модели образования фамилия типична для центральной России и Поволжья, где прозвищные фамилии на «-ев» встречаются сплошь и рядом. Сословно предки Бухелевых, скорее всего, были крестьянами или мещанами: в дворянской среде такие «говорящие» прозвища в фамилиях приживались реже. В дореволюционных метрических книгах эта фамилия встречается эпизодически, в основном в северных и центральных губерниях, но никогда не была массовой.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Бухалов, Бухин, Бухтеев, — то Бухелев стоит особняком: в его основе не глагол в повелительном наклонении (как в Бухалов) и не краткое прилагательное (как в Бухин), а именно прозвищное существительное. Это делает фамилию более архаичной по духу: она застыла в той форме, в какой прозвище бытовало в живой речи несколько веков назад.