Фамилия Чемаренко звучит как типичная украинская фамилия на -енко, и это первое, что бросается в глаза. Суффикс -енко в украинской ономастике означает «маленький», «сын» или «потомок» (по аналогии с русским -ович). То есть Чемаренко — это буквально «сын Чемаря» или «потомок Чемаря». Основа фамилии — прозвище Чемарь, а вот с его происхождением уже сложнее.

Самая вероятная версия связывает Чемаря с диалектным словом «чемарь». В южнорусских и украинских говорах так называли человека, который ходит в чемарке — это род верхней одежды, длинный кафтан или сюртук, часто из грубого сукна. Слово могло прийти из тюркских языков (сравните чамара — «верхнее платье»). Прозвище Чемарь, скорее всего, дали либо портному, который шил такую одежду, либо человеку, который постоянно носил чемарку и выделялся этим в деревне. В пользу этой версии говорит и обилие подобных «портняжных» фамилий у восточных славян (Кравченко, Швец, Шевченко).

Вторая, менее популярная гипотеза выводит основу от тюркского слова «чемер» — «гниль», «плесень» или «ядовитый гриб». В этом случае прозвище Чемарь могло быть дано человеку с нездоровым цветом лица или сварливому, «едкому» по характеру. Но эта версия слабее: для прозвищ чаще брали бытовые и понятные признаки (одежда, ремесло), а не редкие абстрактные понятия.

Географически фамилия Чемаренко прочно привязана к центральной и восточной Украине, особенно к Полтавской и Черкасской областям. В России она встречается редко и почти всегда — след переселения украинских крестьян в XVIII–XIX веках на Кубань или в Слобожанщину. Сословно это почти стопроцентно крестьянская или казацкая фамилия: в реестрах Запорожского войска и в метриках сельских церквей такие прозвища фиксировались именно за простыми людьми, а не за шляхтой.

По написанию фамилия устойчива: вариант Чемаренко преобладает, хотя в старых документах можно встретить Чемаренок (с русским суффиксом -ок) или Чимаренко (от «чимарь» — диалектный вариант). Однокоренные фамилии — Чемарь, Чемеров, Чемаркин — встречаются в Беларуси и южных областях России, но Чемаренко остаётся типично украинской по форме и происхождению.