Фамилия Кемелевы, как и её мужская форма Кемелев, чаще всего ведёт род от тюркского имени Кемел. Это казахское слово, которое переводится как «зрелый, совершенный». Родители, дававшие такое имя сыну, желали ему вырасти рассудительным и умным человеком. По этой версии, корни фамилии уходят в XV–XVII века, когда тюркские имена активно входили в русскую среду через выходцев из Золотой Орды, печенегов или половцев. Многие нерусские дворяне в России носили подобные фамилии, что подтверждает восточное происхождение родоначальника Кемелевых.

Есть и другая, менее вероятная версия. Она связывает фамилию с ингушским словом «кеме» — «корабль». В таком случае Кемелев могло быть прозвищем, указывающим на профессию: судостроитель или моряк. Однако эта гипотеза уступает первой по убедительности, так как имя Кемел как личное встречается гораздо чаще и имеет прямое объяснение в ономастике.

Словообразовательная модель проста: к основе Кемел добавили типичный русский суффикс -ев, который образует притяжательные фамилии, отвечающие на вопрос «чей?». В итоге Кемелев означает «сын или потомок Кемела». Такая схема характерна для многих русских фамилий, возникших из иноязычных имён, и делает Кемелевых интересным памятником восточной письменности и культуры в русском языке.