Фамилия Гарнелис — редкая для России, и это сразу подсказывает её происхождение. Скорее всего, перед нами не исконно русская фамилия, а латышская или литовская. Указание на это даёт финаль «-ис», характерный для мужских фамилий в Латвии (сравните: Берзиньш, Озолиньш, Калныньш). В литовском языке аналогичную роль играет окончание «-ис» (например, Будрис, Науйокайтис). Таким образом, носитель фамилии Гарнелис — потомок выходца из Прибалтики, вероятнее всего, латыша.

Основа фамилии — «Гарнел-» — скорее всего, восходит к латышскому слову «gārnis» (цапля). Суффикс «-elis» в латышском языке часто образует уменьшительно-ласкательные или фамильярные формы. Получается, что «Гарнелис» — это «маленькая цапля» или «цапелька». Прозвище могло закрепиться за человеком с длинной тонкой шеей, долговязой фигурой или за тем, кто жил у болота и промышлял охотой на водоплавающую дичь. В среде латышских крестьян такие прозвища по птицам были обычным делом.

В Российской империи фамилия могла появиться после присоединения Прибалтики, когда латышские крестьяне получали паспорта и записывались по прозвищам. Встречается она и сегодня, но крайне редко, в основном на северо-западе России и в Латвии. Варианта написания «Гарнелис» придерживаются, как правило, потомки латышей, тогда как литовская форма могла бы выглядеть как «Гарнялис» или «Гарнелис» с ударением на первый слог.

Если искать однокоренные фамилии, то в Латвии распространена фамилия Гарнис (Gārnis) — без уменьшительного суффикса, то есть просто «Цапля». Гарнелис — более ласковая, «домашняя» версия того же прозвища. Сословно предки, скорее всего, были крестьянами или батраками, так как латышская знать обычно носила немецкие фамилии на «-берг», «-дорф» и т. п.