Фамилия Горелышева образована от прозвища Горелыш. В основе лежит глагол «гореть» или прилагательное «горелый». Прямое и самое распространённое значение прозвища — человек, потерявший дом и имущество из-за пожара, погорелец. В крестьянском быту это было яркое событие, которое легко закреплялось в качестве уличного прозвища для всей семьи.

Однако есть и вторая версия, которую поддерживают ономасты. «Горелым» в некоторых русских говорах называли смуглого, загорелого до черноты человека. В этом случае прозвище относилось к внешности, а не к трагическому случаю. Обе версии правдоподобны, и без точного знания истории конкретной семьи определить, какая из них верна, невозможно.

Словообразовательная модель типична для русского севера и центральных областей. Суффикс -ыш- (Горелыш) характерен для прозвищ, образованных от качественных прилагательных (ср. Малыш, Крепыш, Глупыш). Затем к основе Горелыш- добавился притяжательный суффикс -ев-, указывающий на принадлежность («чей?» — Горелышев). Фамилия Горелышева — женская форма, означающая «дочь или жена Горелышева».

Стоит обратить внимание на редкость этой фамилии по сравнению с однокоренными Горелов, Горелый, Горелкин. Форма на -ышев встречается значительно реже, что делает фамилию более локальной. Согласно статистике, фамилия Горелышевы исторически тяготела к Вологодской, Костромской и Ярославской губерниям — регионам с традиционным деревянным зодчеством, где пожары были частым бедствием. Это косвенно подтверждает первую, «пожарную» версию происхождения для большинства носителей фамилии.