Фамилия Гемке — один из примеров того, как немецкая фамилия прижилась в России, почти не изменив звучания. В отличие от большинства русских фамилий, которые образуются с помощью суффиксов -ов, -ев, -ин, Гемке сохранила исходную немецкую форму с суффиксом -ке. В немецкой ономастике суффикс -ke (или -cke) — это уменьшительная форма, характерная для нижненемецких диалектов. Он выполняет ту же роль, что и русские суффиксы -к(а), -ок, -ик: превращает полное имя или прозвище в ласковое или обиходное.

Основа фамилии — сокращение от личного имени. Чаще всего Гемке (Gemke) возводят к имени Гемхард (Gemhard) или к его варианту Гемо. Первая часть этих имён — древнегерманское geman- («целый, полный»), вторая — harduz («твёрдый, сильный»). Получается, что в основе фамилии Гемке лежит значение «маленький Гемо» или «сын Гемо» — то есть прозвище, данное по отцу или по характерной черте. Менее вероятна, но возможна связь с топонимом: в Германии есть несколько небольших населённых пунктов с названием Гемке (например, в земле Северный Рейн-Вестфалия), и фамилия могла возникнуть как указание на выходца оттуда.

В России носители фамилии Гемке — это, как правило, потомки немецких колонистов, переселившихся в XVIII–XIX веках по приглашению Екатерины II. Основные районы расселения — Поволжье (Саратовская, Самарская губернии), Новороссия (юг Украины), а также Прибалтика и Петербург. Многие Гемке были ремесленниками, мелкими торговцами или крестьянами. Встречалась фамилия и среди обрусевших немцев, служивших в армии или на гражданской службе.

С точки зрения словообразования, Гемке — фамилия, которая не склоняется в русском языке (как и другие фамилии на -ке, -ко, -е). Это один из признаков её иноязычного происхождения. В отличие от фамилий типа Гемков, которые могли бы появиться при адаптации через русский суффикс, форма Гемке осталась «нетронутой» — и по ней сразу можно определить, что предки говорили на немецком диалекте.