Фамилия Елемова — женская форма фамилии Елемов, и её происхождение, скорее всего, связано с тюркскими языками. Основа «Елем» или «Елим» в них означает «народ», «племя» или «страна» (ср. казахское «ел» — народ, родина). Таким образом, фамилия могла возникнуть как прозвище человека, имевшего отношение к своему роду или общине, например, «Елем» — «народный», «принадлежащий своему племени». Модель образования проста: к основе на согласный добавили русский патронимический суффикс -ов (в женском роде -ова), что типично для фамилий, возникших в среде, где русская администрация или церковь фиксировали тюркские имена.

Более редкая, но возможная версия связывает фамилию с арабским именем Алим (в диалектном произношении Елим), что значит «знающий», «учёный». В таком случае Елемов — это русифицированная форма, где начальный звук изменился под влиянием местного говора. Обе гипотезы указывают на то, что предки носителей фамилии жили в зоне контакта русских и тюркских народов — скорее всего, в Поволжье, на Урале или в Западной Сибири, где фамилии на -ов от тюркских основ особенно распространены.

Суффикс -ов, а не -ин, подсказывает, что основа оканчивалась на согласный, а не на -а или -я. Это исключает происхождение от женского имени Елема (которое в принципе не зафиксировано в русских святцах). Географически фамилия встречается в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской области, а также среди казахов, получивших русскую фамилию при записи в документы. Социально это могли быть крестьяне или казаки, чьи предки носили тюркское прозвище, которое позднее закрепилось как фамилия.

В ономастике нет единого мнения о точном значении корня «елем» — он может быть как этнонимом (названием рода), так и личным именем. Сравните с фамилиями Елемесов, Елешев, где основа та же, но с разными суффиксами. Спорных версий здесь немного, и самая правдоподобная — первая, от тюркского «ел» (народ), так как она объясняет и смысл, и распространение фамилии в регионах с тюркским населением.