Фамилия Гарелий — редкая, и её происхождение неочевидно на первый взгляд. В отличие от большинства русских фамилий на -ов/-ев или -ин, суффикс -ий указывает на иную модель образования, характерную для искусственных или книжных фамилий, а также для фамилий польского, украинского или церковного происхождения.

Самая вероятная версия связывает Гарелия с топонимом или этнонимом. В основе может лежать название города Гари (в Грузии или в некоторых районах России), реки Гарь или местности с корнем «гар-», означающим «огонь», «выжженное место» (сравните с диалектным «гарь» — лесная вырубка после пожара). В таком случае Гарелий — это «тот, кто родом из Гари», обозначение по месту жительства. Однако суффикс -ий здесь не типичен для русских прозвищных фамилий: обычно «из Гари» дало бы Гарев или Гарин. Поэтому более правдоподобно, что фамилия образована от прозвища Гарелый — «обгоревший», «палёный», «человек с обожжённой кожей» (следы ожогов, работа у горна или в кузнице). В русском языке прилагательное «гарелый» известно в говорах, и фамилия могла возникнуть из него через упрощение: Гарелый → Гарелий (под влиянием книжного или семинарского стиля).

Вторая версия — искусственное происхождение. В среде духовенства в XVIII–XIX веках было модно давать фамилии от латинских или греческих корней, а также от названий церковных праздников и икон. «Гарелий» может быть переосмыслением греческого «гаре» (радость) или искажением фамилии Гарелов, Гареев, но это уже гадательно. Словарь Б. Унбегауна («Русские фамилии») упоминает, что фамилии на -ий часто давались выходцам из духовного сословия, но конкретно Гарелий там не фигурирует.

Географически носители фамилии встречаются редко, преимущественно в центральной России и на юге (Краснодарский край, Ростовская область), что косвенно подтверждает связь с прозвищем «гарелый» — в южных регионах ожоги от солнца или работы с огнём были распространённой причиной для прозвищ.

Спорных версий две: связь с литовским или польским словом «gare» (горячий) — маловероятно, так как фамилия не фиксируется в польских ономастиконах; и версия от имени Гарий (редкое имя, возможно, от греческого «гариос» — гордый) — но тогда фамилия имела бы форму Гариев или Гарий, а не Гарелий. Наиболее надёжным остаётся объяснение через прозвище Гарелый, которое со временем изменило окончание под влиянием книжной традиции.