Фамилия Чемышенко — яркий пример украинской модели фамилий на -енко, которая указывает на происхождение по отцу: «сын Чемыша» или «потомок Чемыша». Суффикс -енко характерен для центральных, южных и восточных земель Украины, особенно для Полтавщины и Слобожанщины, и в XVIII–XIX веках стал одним из самых массовых способов образования фамилий в казацкой среде и среди крестьянства.

Основа фамилии — прозвище Чемыш. Его происхождение неочевидно, и здесь возможны два основных объяснения. Первое: Чемыш — это вариант прозвища Чемиз, которое в южнорусских и украинских говорах связывали со словом «чемиз» или «чимиз» — так называли просяную крупу, а иногда и само просо. Прозвище мог получить человек, занимавшийся выращиванием или продажей этой культуры, либо тот, кто отличался желтоватым цветом волос или кожи — по цвету проса. Второе, менее очевидное, но возможное: Чемыш могло быть производным от тюркского имени или слова, например, от «чемен» (луг, трава) или «чембер» (пояс, кушак), что указывало бы на контакты с тюркоязычными народами (ногайцами, татарами) в степной полосе. Однако славянская версия с «чемизом» выглядит предпочтительнее: она проще и укладывается в типичную для украинских прозвищ модель называния по роду занятий или внешнему признаку.

Фамилия Чемышенко не относится к числу распространённых. Встречается она преимущественно на территории современной Украины — особенно в Черкасской, Полтавской и Кировоградской областях, а также в прилегающих районах России, куда переселялись украинцы. Вариант написания с буквой «ы» (Чемышенко, а не Чемішенко) — результат адаптации украинской фамилии к русской орфографии, где звук [и] после шипящих и мягких согласных передаётся через «ы».

Примечательно, что в отличие от фамилий на -енко от имён (Иван — Иваненко) или профессий (Коваль — Коваленко), фамилия от прозвища Чемыш — более редкая. Она сохранила исходное прозвище в почти неизменном виде, что делает её ценной для реконструкции народной лексики и быта XVII–XVIII веков: предок носителя фамилии, скорее всего, был хлеборобом или мелким торговцем, а его прозвище закрепилось за целым родом.