Фамилия Чмельов — один из тех случаев, когда написание расходится с привычным слуху вариантом, но не меняет сути. Это притяжательное прилагательное, образованное по стандартной русской модели с суффиксом -ов: от основы «Чмель» (или «Чмел») прибавили суффикс, указывающий на принадлежность — «чей?» — «Чмелёв». Однако в фамилии пишется «ё», а не «е» после шипящего, что для дореволюционной орфографии было нормой, а сейчас встречается реже и часто путает людей.

Основа фамилии — прозвище Чмель. В южнорусских и украинских говорах «чмель» (или «джміль») — это шмель. Прозвище могли дать человеку за схожесть с этим насекомым: за густое, низкое жужжание голоса, за коренастую фигуру, за неугомонный нрав или за то, что он, как шмель, «собирал» вокруг себя людей. В некоторых диалектах «чмель» означало также «лентяй» или «ротозей» — в переносном смысле, от манеры шмеля медленно перелетать с цветка на цветок.

С точки зрения географии, фамилия Чмельов и её варианты (Чмелёв, Чмель, Чмиль) тяготеют к югу России и востоку Украины: Курская, Белгородская, Воронежская области, а также земли бывшей Слобожанщины. Там слово «чмель» было в ходу, и прозвища от названий насекомых давали часто — как, например, Жук, Пчела или Оса.

Сословно Чмельовы, скорее всего, крестьянского или казацкого происхождения. Фамилии на -ов у непривилегированных сословий окончательно закрепились к середине XIX века, а прозвище могло перейти в фамилию ещё раньше, в среде реестровых казаков или однодворцев. Встречается и вариант Чмелёв — с ударением на последний слог, что тоже допустимо, но менее точно отражает исходную форму.

Любопытная деталь: в старых метрических книгах можно найти написание «Чмелёвъ» — через «ять»? Нет, именно через «ё» и твёрдый знак. Это один из редких примеров, когда буква «ё» в фамилии не просто стилистический выбор, а прямое указание на произношение предков: они говорили не «чмельоф», а «чмёлёф», с чётким звуком, который позже в русском литературном языке почти исчез.