Фамилия Карелис — редкий случай, когда географическое имя напрямую перешло в фамилию без привычных русских суффиксов. В отличие от массовых Кареловых, Карельских или Карелиных, форма Карелис сохранила иноязычный отпечаток. Скорее всего, перед нами латышская или, реже, литовская фамилия, образованная от этнонима «карел» (житель Карелии) с помощью типичного для балтийских языков окончания -ис. В латышском суффикс -is указывает на принадлежность или происхождение, то есть Карелис буквально означает «карел» или «карельского рода».

По другой версии, фамилия могла возникнуть у обрусевших немцев или евреев Прибалтики, где окончание -ис нередко появлялось при адаптации немецких фамилий на местный лад. Но в таком случае основа должна была быть иной — Карелис как «сын Кареля» маловероятно, потому что имя Карель в балтийской традиции не встречается. Поэтому версия с этнонимом убедительнее: предок носителя фамилии либо сам переехал из Карелии в Латвию или Литву, либо получил прозвище по внешности или говору, напоминавшему «карельское».

В Российской империи фамилия Карелис фиксируется в основном среди латышских крестьян Витебской и Курляндской губерний, а также в городах, где оседали переселенцы. После революции часть носителей уехала в Латвию, часть осталась в России. Встречается она и у латышских евреев, но там чаще писали Карелис с ударением на первый слог, что указывает на немецкое произношение фамилии Karelis.

Словообразовательная модель простая: корень «Карел-» плюс балтийский суффикс -ис. Русские аналоги — Карелов, Карелин — образуются иначе, через -ов и -ин, и указывают на принадлежность к роду человека по прозвищу Карел. Карелис же — это не «чей-то», а «кто-то»: форма именительного падежа, характерная для фамилий прибалтийского происхождения. Именно это отличает её от массы однокоренных русских фамилий и делает редкой даже в Латвии, где преобладают фамилии на -с и -ис.