Фамилия Хмелёк образована от прозвища или мирского имени, восходящего к названию вьющегося растения с длинным тонким стеблем — хмеля. Это растение известно на Руси с дохристианских времен, поэтому основа у фамилии древняя, но вот что именно она означала для конкретного человека — вопрос открытый.

Вероятнее всего, прозвище Хмелёк получил не просто так, а по роду занятий. Так могли назвать крестьянина, который выращивал хмель на продажу, или же пивовара, винодела, а возможно, и торговца хмелем. В те времена хмель был важным сельскохозяйственным продуктом, и его возделывание требовало особых навыков, так что прозвище могло быстро закрепиться за семьей.

Суффикс -ёк в основе указывает на уменьшительно-ласкательную форму, что типично для мирских имен: так могли звать младшего в семье или просто человека невысокого роста, но в данном случае скорее это ласкательное обозначение самого растения, а не носителя прозвища.

В родословных записях встречается родственное именование: у С. Б. Веселовского упомянут Хмель Семен Андреевич Суслов Приклонский (1592 год). Это подтверждает, что основа «хмель» использовалась в личных именованиях допетровской Руси, а фамилия Хмелёк — одна из многих, образованных от таких прозвищ. Сама фамилия закрепилась, когда потомки стали наследовать прозвище предка, и в итоге получили форму с суффиксом -ёк, которая сегодня звучит как самостоятельная фамилия, а не как прозвище.