Фамилия Холмеева — женская форма, мужская — Холмеев. С точки зрения словообразования это типичная патронимическая модель на -ев, указывающая на происхождение от прозвища или имени отца. Основа здесь — Холмей, и это не тюркское и не западное заимствование, а чисто славянская, хотя и редкая, словообразовательная конструкция.

Самая вероятная версия: прозвище Холмей образовано от слова «холм» — то есть возвышенность, бугор. В русских говорах «холмей» могли назвать человека, живущего на холме, или же того, кто был заметен, «высился» над другими — ростом или положением. Модель с суффиксом -ей (как Бардей от борода, Гордей от гордый) характерна для северных и центральных русских говоров, где такие прозвища давали по внешнему признаку или месту жительства. Таким образом, Холмеев — буквально «сын Холмея», то есть потомок человека, которого прозвали за связь с холмистой местностью.

Менее вероятна, но допустима версия от канонического имени Филимон (в просторечии Холмон, Холмей). В этом случае фамилия — результат народной переработки церковного имени, но для этого нет достаточных документальных подтверждений, и звуковой переход от Филимона к Холмею неочевиден. Поэтому версия с топографическим прозвищем — основная.

Географически фамилия Холмеева встречается спорадически, без ярко выраженного гнезда. Чаще — в Поволжье и на юге России, что косвенно подтверждает связь с прозвищем: в равнинной местности человек, живущий на заметном возвышении, получал такое прозвище намного чаще, чем в горах. Сословно предки могли быть как крестьянами, так и служилыми людьми — прозвище не несёт социальной окраски.

Однокоренные фамилии — Холмов, Холмский, Холмиков — более часты, но Холмеев стоит особняком из-за редкого суффикса -ей, который сохранил архаичную форму прозвища, не переделанную в более привычное Холмов.