Фамилия Челомей — один из тех редких случаев, когда основа прозвища почти не требует расшифровки. В древнерусском языке «чело» — это лоб, а «меять» или «мести» в разговорном употреблении означало «бить», «колотить». Прямое значение прозвища Челомей — «бьющий челом», то есть кланяющийся до земли. Однако вряд ли предок получил такое прозвище за почтительность: скорее всего, это ироничное прозвище человека, который часто и низко кланялся — либо по должности (челобитчик, проситель), либо по привычке заискивать.

Модель образования фамилии нестандартна. В русской ономастике фамилии на -ей обычно восходят к прозвищам, образованным от глагольных форм повелительного наклонения (вроде Гуляй, Держи, Непей). Челомей — это именно глагольная конструкция «чело бей» (бей челом), слившаяся в одно слово. Такие фамилии редки и, как правило, указывают на прозвище, которое закрепилось за одним человеком, а затем перешло к его потомкам без изменений.

В пользу того, что фамилия недворянская и не книжная, говорит и отсутствие типичных суффиксов (-ов, -ин, -ский). Челомей — это «застывшая» форма прозвища, которая стала фамилией без дополнительной обработки. Такое чаще встречалось в северных и центральных регионах России, особенно среди крестьян и посадских людей, где прозвища нередко передавались детям в исходном виде.

Наиболее известный носитель фамилии — академик Владимир Николаевич Челомей, выдающийся советский конструктор ракетно-космической техники. Его фамилия украинского происхождения (по некоторым данным, из Полтавской губернии), но корень тот же — от «челом бить». В украинском языке форма «Чоломбий» или «Челомбій» встречается чаще, а «Челомей» — её русифицированный вариант.

Искать фамилию в старых переписных книгах сложно из-за редкости. Встречаются единичные упоминания в документах XVII века, например, в актах по Севску и Путивлю, где записаны казаки или «черкасы» (выходцы с Украины) с прозвищем Челомей. Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским землям, что подтверждается и происхождением знаменитого конструктора.