Фамилия Карнелевская звучит как типичная «географическая» фамилия польского или западнорусского происхождения, но её основа допускает несколько разных толкований. Первое, что бросается в глаза, — суффикс -евск-, характерный для шляхетских фамилий Речи Посполитой. Такие фамилии обычно давались по названию поместья или местечка: владелец усадьбы Карнелево или выходец из села Карнелевка получал прозвище, которое затем закрепилось за потомками. В этом смысле Карнелевская — «та, что из Карнелева», и её мужской вариант — Карнелевский.

Сложнее с корнем «Карнел-». Самая прямая версия — от польского или белорусского слова, связанного с коноплёй. В польском языке есть слово konopie (конопля), а в диалектах встречается форма karneł или karnełek — так могли называть торговца конопляным семенем или человека, возделывавшего конопляные поля. В пользу этой версии говорит то, что фамилии на «конопляную» тему (Коноплёв, Конопельский) очень распространены, а форма с «а» вместо «о» — результат аканья, обычного для белорусских и малороссийских говоров. То есть Карнелевский мог быть прозвищем конопляника, а уж потом — фамилией по месту.

Менее вероятна, но возможна связь с христианским именем Карнелий (лат. Cornelius) — через народную форму Карнел. В православных святцах есть мученик Корнилий, а в католических — святой Корнелий, папа римский. Фамилии от канонических имён в польской традиции нередко получали суффикс -ский, но обычно они образовывались от имени отца (Корнилович), а не через топоним. Поэтому версия с именем слабее: если бы предка звали Карнел, его сын стал бы Карнелевичем, а не Карнелевским.

Географически фамилия тяготеет к западным регионам бывшей Речи Посполитой: Гродненщина, Волынь, Подляшье. В современной России она редка, чаще встречается в Беларуси и на Украине. Интересно, что окончание -ая (Карнелевская) вместо -а (Карнелевска) — это уже русская адаптация: в польском языке женская фамилия звучала бы как Karnelewska, а в русском её переоформили по образцу прилагательных женского рода. Таким образом, носительница фамилии Карнелевская почти наверняка имеет корни в западнорусской или польской мелкой шляхте либо в крестьянстве, получившем фамилию по названию родной деревни.