Фамилия Кемелев — редкий случай, когда тюркское имя легло в основу русской фамилии при помощи самого распространённого русского суффикса -ев. Самая вероятная версия: в основе лежит казахское мужское имя Кемел. Оно означает «зрелый», «совершенный», «полноценный». Родители, называя так сына, желали ему вырасти рассудительным, умным и достойным человеком. Фамилия образовалась по простой модели: имя Кемел + притяжательный суффикс -ев («чей?» — сын или потомок Кемела). Такая схема характерна для фамилий, которые появились у крещёных тюркских народов или в среде русских, живших в тесном контакте с казахами, татарами, башкирами.

Существует и другая, менее убедительная версия. Слово «кеме» в ингушском языке означает «корабль». Если принять эту гипотезу, то фамилия Кемелев могла быть профессиональным прозвищем: предок строил суда или служил моряком. Однако эта версия слабее: во-первых, фамилии на -ев от ингушских нарицательных почти не встречаются в русском ономастиконе. Во-вторых, в ингушском языке фамилии обычно оформляются суффиксами -ов, -ев, но основа «Кеме» без добавочного тюркского компонента редка. Поэтому основным и надёжным остаётся объяснение через имя Кемел.

География фамилии подтверждает связь с казахской средой. Кемелевы чаще всего встречаются в Оренбургской, Астраханской областях, а также в Казахстане — в регионах, где исторически жили казахи и сохранялись тесные русско-казахские контакты. Встречаемость фамилии невысокая, что тоже характерно для фамилий, образованных от нетипичных для русского именослова имён.