Фамилия Кельмачева — женская форма, а мужская, Кельмачев, образована по стандартной русской модели с суффиксом -ев. Этот суффикс указывает на принадлежность: Кельмачев буквально значит «сын Кельмача» или «человек из рода Кельмача». Основа здесь — прозвище или некалендарное имя Кельмач.

Самый вероятный источник этого прозвища — тюркские языки. В них есть корень «кель» или «кел», который часто связан с понятиями «приходить», «прибывать» или с названиями животных. Например, в казахском и татарском «кельмәч» может означать «пришелец», «пришлый человек» — так могли назвать переселенца, чужака, недавно обосновавшегося в деревне. Вторая версия отсылает к диалектному слову «кельма» — так в некоторых говорах называли кельтского петуха или просто крупную птицу, и прозвище могло закрепиться за драчливым, горластым человеком.

Словообразовательная модель с суффиксом -ач (-ач/яч) характерна для русских прозвищ, образованных от глагольных или именных основ: Толмач, Рыбач, Скрипач. Кельмач вписывается в этот ряд, пусть и с нерусским корнем. Географически фамилия тяготеет к регионам с сильным татарским и башкирским влиянием — Поволжье, Урал, Западная Сибирь. Встречается она нечасто, и это дополнительный аргумент в пользу версии с прозвищем-диалектизмом, а не с широко распространённым тюркским именем.

Сословная принадлежность первых носителей, скорее всего, крестьянская или мещанская: фамилия не содержит дворянских суффиксов (-ский) и не относится к духовенству. Предок Кельмачев, получивший прозвище за особенности характера или происхождения, жил обычной жизнью земледельца или ремесленника, а его потомки закрепили прозвище в качестве родового имени.