Фамилия Химия — редкий случай, когда в основе фамилии лежит не имя, не ремесло и не географическое название, а целая область знаний. Самое очевидное и главное объяснение: фамилия происходит от слова «химия» — науки о веществах. В русской традиции такие «книжные» фамилии часто давали в духовных училищах и семинариях. Ученику, который проявлял особые успехи в этом предмете или, наоборот, с трудом его постигал, могли в шутку дать фамилию Химия. Семинарские фамилии нередко образовывали от названий учебных дисциплин, и «Химия» стоит в одном ряду с Грамматиным, Риторикой или Математикой.

Модель образования здесь нетипична для русских фамилий. Обычная фамилия заканчивается на -ов, -ин или -ский, а Химия — это чистая основа, слово в именительном падеже. Такая форма характерна для украинской или белорусской традиции, где фамилии нередко оставляли без суффикса (например, Шевченко, Сковорода). Поэтому возможна и вторая версия: фамилия могла закрепиться как прозвище человека, имевшего отношение к химии — аптекаря, алхимика, знахаря, который варил снадобья. В этом случае прозвище просто перешло в фамилию без изменений.

Самый редкий, но не исключённый вариант — искажение при записи. В документах XIX века фамилию могли записать на слух со слов носителя, и если человек говорил на диалекте, где «х» заменяло «ф» (так называемое «хв» вместо «ф»), то фамилия могла возникнуть от имени или прозвища, связанного с Хавроньей, Хведей или даже греческим именем Тимофей (в просторечии — Химка). Однако эта версия слабее: большинство подобных имён давали бы фамилию Химин, а не Химия.

Географически фамилия встречается точечно, преимущественно на западе России и в восточной Украине, что подтверждает её возможное украинское происхождение. Встречается она и у еврейских носителей, но там она, скорее всего, искусственная — из тех, что давали при переходе на фамилии в черте оседлости в XIX веке, когда могли взять слово «химия» как звучное и отвлечённое. В любом случае, это одна из тех фамилий, чей носитель почти наверняка имеет предка, так или иначе связанного с наукой или ремеслом приготовления смесей.