Фамилия Кемелева — женская форма фамилии Кемелев, и её разбор стоит начать с редкого окончания -ев. В русской фамильной модели суффикс -ев указывает на принадлежность: «чей?» — Кемелев, то есть сын или потомок человека по прозвищу или имени Кемель. Сама основа «Кемель» не входит в список распространённых русских канонических имён, поэтому здесь мы имеем дело либо с прозвищем, либо с заимствованным именем.

Наиболее вероятная версия связывает фамилию с тюркскими языками. В казахском, башкирском, татарском языках слово «кемел» означает «совершенный, зрелый, полноценный» (от арабского «камиль»). Прозвище Кемель могли дать человеку за ум, зрелость суждений или физическую крепость. В этом случае фамилия Кемелев — типичный пример адаптации тюркского имени в русскую фамильную систему: к основе добавили русский патронимический суффикс -ев, и фамилия закрепилась в среде крещёных татар, башкир или других народов Поволжья и Приуралья.

Вторая, менее вероятная версия — от диалектного слова «кемель» или «кемеля», которое в некоторых русских говорах означало «калека, хромой» или «неповоротливый человек». Но эта гипотеза слабая: слово узколокальное, и в письменных источниках оно почти не фиксируется. Если бы основа была русской, мы бы ожидали суффикс -ов, а не -ев после твёрдого согласного (Кемелов). Форма Кемелев с -ев после твёрдого «л» — ещё один косвенный признак иноязычного происхождения основы: в тюркских именах конечный согласный часто смягчается при русификации.

Что касается географии, фамилия Кемелев (и Кемелева) встречается преимущественно в Западной Сибири, на Алтае и в южных регионах Урала — там, где исторически были сильны тюркско-русские контакты. В центральных областях России она редка. Социальный контекст: носители фамилии, скорее всего, происходят из крестьян или мещан, принявших православие и получивших фамилию по деду или отцу. Дворянских родов с такой фамилией в «Бархатной книге» и других родословных сборниках нет.

Если сравнивать с однокоренными — Кемель, Кемелов, Кемельбаев — видно, что все они держатся той же тюркской основы «кемел» и привязаны к одному ареалу. Фамилия Кемелева не уникальна, но и не массовая: её носителей в России, по данным современных справочников, несколько сотен, что делает её скорее редкой.