Фамилия Гулемова — редкий случай, когда основа не очевидна даже для носителя языка, и разбор упирается в тюркские корни. В русских фамилиях на -ов/-ев основа почти всегда ясна: Кузнецов, Соколов. Здесь же «Гулем» не встречается ни в древнерусских именах, ни в распространённых прозвищах. Поэтому первая и главная версия — происхождение от тюркского мужского имени Гулем (или Гулим).

В тюркских языках, особенно в казахском, татарском и башкирском, основа «гүл» (цветок) дала множество имён. Гулем — одна из форм, означающая «мой цветок», «цветущий». Имя могло быть как ласковым обращением в семье, так и полноценным личным именем, которое позже закрепилось как фамилия. Суффикс -ов (в женском роде -ова) здесь стандартный: он русифицировал тюркское имя по модели русских фамилий, когда носитель переходил в православие или просто входил в русскоязычную среду.

Вторая, менее вероятная версия, но имеющая право на существование, — связь с диалектным глаголом «гулить» (ворковать, нежно разговаривать). В этом случае Гулема могло быть прозвищем ласкового, спокойного человека. Однако филологически это слабее: суффикс -ем в русском прозвищном словообразовании почти не встречается, а вот в тюркском он типичен.

Географически фамилия Гулемова тяготеет к регионам с сильным татарским и башкирским влиянием: Поволжье, Урал, отчасти Западная Сибирь. Встречаемость низкая, что подтверждает её локальный характер. Сословно предки, скорее всего, были крестьянами или мещанами из числа тюркских народов, принявших православие либо получивших фамилию при переписях XIX века по имени главы семьи. Однокоренных фамилий в русском языке практически нет, что делает Гулемову хорошим маркером для генеалогического поиска в сторону тюркской ономастики.