Фамилия Хмеленкова — женская форма фамилии Хмеленков, а та, в свою очередь, принадлежит к распространённому типу русских фамилий на -ов/-ев. Основа здесь — прозвище Хмеленок, которое образовано от слова «хмель» с уменьшительно-ласкательным суффиксом -енок. В старину так могли назвать невысокого, вертлявого человека, любителя хмельных напитков или того, кто занимался выращиванием хмеля — важного сырья для пивоварения. В центральных и южных губерниях России хмель был традиционной культурой, так что прозвище могло закрепиться за крестьянином, работавшим на хмельниках.

Суффикс -енок в фамилиях встречается реже, чем стандартные -ов или -ин, и чаще характерен для северных и центральных областей, где сохранялись архаичные формы прозвищ. В отличие от фамилии Хмелёв, где корень ясен и прямолинеен (хмель — растение), вариант Хмеленков несёт оттенок «малый, молодой», будто речь о сыне Хмеля или о человеке, которого за глаза называли Хмелёнком.

Если обратиться к словарю Б. Унбегауна, фамилии на -енков обычно указывают на патроним от прозвища на -енок, что типично для русской ономастики XVII–XVIII веков. Сословно Хмеленковы, скорее всего, были крестьянами или посадскими людьми — дворянские роды с такой фамилией в исторических источниках не прослеживаются. Интересно, что однокоренные фамилии (Хмелёв, Хмельницкий, Хмельников) встречаются чаще, а Хмеленков — более редкий вариант, что может говорить о локальном бытовании в конкретной местности, например, в Тверской или Смоленской губерниях.