Фамилия Гремелкина — женская форма, а мужская, Гремелкин, образована по стандартной русской модели с суффиксом -ин. Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — Гремелкин, то есть сын или потомок человека по прозвищу Гремелка. Сама основа — глагол «греметь» (издавать громкий звук, шуметь, звенеть) с уменьшительным суффиксом -к-.

Прозвище Гремелка в XVI–XVII веках могли дать человеку с громким голосом, крикуну или тому, кто постоянно производил шум — например, возчику, кузнецу, бондарю. Но есть и другая, менее очевидная версия: в северных и сибирских говорах «гремелкой» называли погремушку или трещотку, которой отпугивали зверей или птиц. Тогда прозвище могло перейти на сторожа или пастуха, который пользовался таким инструментом.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий, возникших в крестьянской среде: прозвище на -ка (Гремелка) → фамилия на -ин. Аналоги: Звонкин, Стукалкин, Шумилкин. Географически фамилия редкая, встречается в основном в центральных и северных областях России, что косвенно подтверждает её диалектное происхождение.

Версия о связи с глаголом «греметь» — самая правдоподобная и лежит на поверхности. Альтернативное объяснение через тюркские или финно-угорские корни (якобы от имени Гремель) не подтверждается ни словарями личных имён, ни историческими документами, поэтому его можно отбросить как натяжку.