Фамилия Хамелеонов — редкий случай, когда фамилия образована не от народного прозвища или имени, а напрямую от названия животного, причём заимствованного из греческого языка через научную латынь. В основе лежит слово «хамелеон» (греч. χαμαιλέων — «земляной лев»). Такие фамилии обычно возникали в среде, где ценилась книжная образованность: в духовных семинариях или в дворянских кругах, увлекавшихся естественными науками.

Скорее всего, фамилия Хамелеонов — искусственная, семинарская. В XVIII–XIX веках будущим священникам нередко давали «говорящие» фамилии по названиям экзотических животных, растений или античных героев. Хамелеон как символ переменчивости мог стать прозвищем для непостоянного человека, но в фамилию его превратили именно в стенах училища, а не в крестьянской среде. Модель образования проста: к основе «хамелеон» добавили типичный русский суффикс принадлежности -ов, что дало буквальное значение «сын Хамелеона» — но не в смысле родства, а в смысле прозвания.

Встретить Хамелеоновых в старых переписях — большая редкость. Фамилия не была распространена ни в одном регионе России и не имела сословной привязки к крестьянам или мещанам. Если она и возникала, то единично, в среде выпускников духовных академий. По той же модели образованы фамилии Крокодилов, Страусов, Пингвинов — все они указывают не на профессию или характер, а на книжное происхождение.

Любопытно, что фамилия Хамелеонов сохраняет ударение на третьем слоге (Хамелео́нов), как и в исходном слове. В бытовой речи её могли переосмыслить, связав с глаголом «хаметь» или диалектным «хамло», но этимологически это вторичное сближение: корень здесь чисто зоологический, без славянских корней. Носитель такой фамилии, скорее всего, потомок семинариста, получившего прозвище за способность приспосабливаться — или за то, что преподаватель зоологии был неравнодушен к латыни.