Фамилия Илеменева — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Её основа, «Илемен», не встречается в современных русских именах и нарицательных словах, поэтому разбирать её нужно через диалекты, географические названия и возможные иноязычные влияния.

Скорее всего, в основе лежит прозвище или мирское имя, связанное с диалектным словом «илем» или «илемень». В говорах Русского Севера и Приуралья «илем» — это вяз, дерево, а также заросль, чаща. Прозвище Илемень могли дать человеку, жившему у вязового леса, либо высокому и гибкому, как вяз. Суффикс «-енев» в фамилии указывает на принадлежность: «чей?» — Илеменев, то есть сын или потомок Илеменя. Женская форма Илеменева — это фамилия жены или дочери такого человека.

Другая версия, менее вероятная, но имеющая право на существование, — связь с тюркским или финно-угорским корнем. В чувашском языке «илĕм» означает «образец, пример», а в марийском «илем» — «жильё, усадьба». Если предки носителя фамилии жили в Поволжье или Прикамье, прозвище могло быть заимствовано из местных языков. Однако русская модель образования с суффиксом «-ев» говорит о том, что имя уже было адаптировано в русской среде.

Географически фамилия Илеменева встречается крайне редко. Основные очаги — Удмуртия, Кировская область и Татарстан, что подтверждает версию о северном или приуральском происхождении. В старых переписях и писцовых книгах она не фиксируется, что типично для прозвищных фамилий, возникших в крестьянской среде не раньше XVII–XVIII веков.

С точки зрения словообразования, фамилия стоит в ряду таких редких форм, как Ветренев, Копытенев, Кременев — все они образованы от прозвищ на «-ень» с последующим притяжательным суффиксом. Это архаичная, но живая модель, которая сохранилась в основном в северных и восточных регионах России.