Фамилия Глемская — женская форма фамилии Глемский, а та, в свою очередь, образована по типичной для шляхты и духовенства модели: основа плюс суффикс -ск-/-цк-. В русской и польской ономастике такие фамилии чаще всего указывали на географическое происхождение — владельческое или топонимическое прозвище по названию имения, села или урочища.

Корень «Глем-» почти наверняка восходит к польскому głąb (глубина, глубь) или głąbik (кочерыжка, стебель). В польских говорах слово głąb также могло означать «простак» или «увалень», но для дворянской фамилии такое прозвище маловероятно. Куда правдоподобнее, что предок носителя фамилии владел или жил в местечке под названием Глембы, Глембоки, Глембочек — подобные топонимы встречаются в Мазовии и Подляшье. В современной Польше есть деревня Глембочек (Głęboczek), а также несколько населённых пунктов с корнем Głębok-.

Вторая версия, более редкая, связывает основу с диалектным глаголом глемить (гнуть, клонить) — прозвище мог получить человек сутулый или работающий с изгибом (например, бондарь). Но географическая привязка для суффикса -ский остаётся главной.

Фамилия Глемская — скорее всего, дворянского происхождения, характерна для бывших земель Речи Посполитой: Беларуси, Западной Украины, восточных воеводств Польши. После разделов Польши многие носители таких фамилий перешли в мещанское или крестьянское сословие, но исходно фамилия указывала на принадлежность к шляхетскому роду, владевшему небольшим поместьем. В России эта фамилия редкая, встречается в основном в западных областях и среди потомков переселенцев XIX — начала XX века.