Фамилия Хмеленцова — это, скорее всего, «географическая» фамилия, указывающая на место, откуда родом её первый носитель. В основе лежит название деревни или села Хмелено, Хмеленцы или Хмеленцово. Такие топонимы часто встречаются на территории России и Украины, особенно в областях, где издавна занимались хмелеводством — в Полесье, на Брянщине, в Смоленской губернии.

Названия этих сёл произошли от нарицательного «хмель» — вьющегося растения с длинным тонким стеблем, которое использовали для приготовления дрожжей и пива. Неудивительно, что в старину хмель был важной сельскохозяйственной культурой, а места, где он рос в изобилии, получали соответствующие имена. Крестьянин, переселившийся из такого села в другое место, получал прозвище Хмеленец — «человек из Хмеленого». Его дети и внуки уже писались как Хмеленцовы.

Разбор суффикса подтверждает эту версию. Формант «-ов» в фамилии Хмеленцов указывает на принадлежность: «сын Хмеленца». Сама основа «Хмеленец» образована с помощью типичного для русских прозвищ суффикса «-ец», который как раз и обозначает выходца с определённой территории (сравните: Тамбовец, Казанец). Таким образом, цепочка получается прямой и логичной: хмель → Хмелено → Хмеленец → Хмеленцов.

Впрочем, есть и вторая версия, менее распространённая, но имеющая право на существование. Прозвище Хмеленец могло закрепиться и за человеком, который не был связан с конкретным селом, а сам занимался выращиванием хмеля или варил пиво. В этом случае фамилия носила бы «профессиональный» характер. Однако для фамилий с суффиксом «-ец» топонимическое происхождение более типично, поэтому версия о происхождении от названия деревни выглядит предпочтительнее.

Интересно, что фамилия Хмеленцов встречается реже, чем однокоренные Хмелёв или Хмельницкий. Это косвенно говорит о том, что она привязана не к широкому прозвищу, а к довольно конкретному и небольшому кругу сёл с названием Хмелено. Носители фамилии сегодня рассеяны по всей России, но корни её, скорее всего, уходят в западные и юго-западные регионы страны, где традиционно сеяли хмель.