Фамилия Гомолеева — женская форма от Гомолеев, и её происхождение неочевидно. Скорее всего, в основе лежит прозвище или неканоническое имя Гомолей, которое могло возникнуть от диалектного слова «гомола» или «гомель». В русских говорах «гомола» — это ком, кусок, иногда — неуклюжий, неповоротливый человек. Если так, то Гомолеем называли медлительного или грузного мужчину. Фамилия образована по типичной модели с суффиксом -ев, который присоединялся к основам на мягкий согласный или -й.

Менее вероятна, но возможна связь с топонимом Гомель — городом в Беларуси. В этом случае фамилия могла указывать на выходца из тех мест, но тогда ожидалась бы форма Гомельский или Гомельцев. Прозвищное происхождение выглядит правдоподобнее.

Суффикс -ев в фамилии Гомолеев (а значит, и Гомолеева) — стандартный патронимический, то есть «сын Гомолея». Фамилия редкая, не массовая, и её носители, вероятно, встречаются в центральных или южнорусских областях, где бытовало слово «гомола». В дореволюционных переписях и метрических книгах эта фамилия почти не фиксируется, что говорит о её локальном характере.

С точки зрения словообразования, фамилия Гомолеева стоит в одном ряду с такими же редкими, как Козолеева или Боролеева, где основа тоже неочевидна и требует диалектного или ономастического комментария. Никаких известных исторических деятелей с этой фамилией нет, и её значение остаётся загадкой для большинства носителей.