Фамилия Хмельнюк образована по украинской модели, характерной для западных и центральных регионов. Суффикс -юк указывает на принадлежность к роду: так называли сына, ученика или младшего родственника человека, чьё имя или прозвище легло в основу. В данном случае основа — «Хмель». Это могло быть как прозвище, так и мирское имя. На Украине и в Беларуси было широко распространено имя-оберег Хмель: считалось, что назвав ребёнка в честь хмельного растения, его защитят от злых сил или, наоборот, придадут ему жизненной силы и буйного нрава. Сравните с фамилиями Хмель, Хмеленко, Хмельницкий — все они восходят к одному корню.

Вторая, не менее вероятная версия — профессиональная. Фамилия могла закрепиться за тем, кто выращивал хмель или торговал им. Хмель был важной сельскохозяйственной культурой в Полесье, на Волыни и в Подолье, где его использовали для пивоварения. Владельцы хмельников или перекупщики сырья получали прозвище Хмель, а их потомки — Хмельнюки. Интересно, что на западе Украины, особенно в Ровенской и Житомирской областях, фамилия Хмельнюк встречается до сих пор заметно чаще, чем в других регионах, что подтверждает её локальное происхождение.

С точки зрения словообразования фамилия стоит в ряду типичных украинских патронимов на -ук/-юк: Бондарюк, Ковалюк, Гнатюк. Ударение в ней падает на последний слог — Хмельню́к, что тоже выдает её юго-западное происхождение. В русском языке такую фамилию иногда ошибочно склоняют как русскую, но по правилам украинские фамилии на -юк склоняются: Хмельнюка, Хмельнюку.

Если говорить о социальном контексте, то носители фамилии Хмельнюк в XIX — начале XX века чаще всего были крестьянами или мещанами. В дворянских родословных книгах эта фамилия не фиксируется, что неудивительно: суффикс -юк в малороссийских землях был маркером простого сословия, в отличие от аристократических -ский или -ович. Таким образом, предки современного Хмельнюка с высокой вероятностью были либо земледельцами, связанными с хмелеводством, либо получили своё прозвище по имени-оберегу, что в равной степени правдоподобно.