Фамилия Китьменев — один из тех редких случаев, когда географическое название стало основой фамилии практически без изменений. В основе лежит топоним Китьма — название реки в Кировской области, правого притока Вятки. На этой реке стоит село Китьма (ныне в Богородском районе), известное с XVII века. Житель этой местности или выходец оттуда получал прозвище Китьмень или Китьменев, а затем это прозвище закрепилось как фамилия. Модель образования проста: суффикс -ев указывает на принадлежность («чей?» — сын Китьменя), а сама основа — это усечённый вариант названия реки или села.

Менее вероятна, но возможна связь с диалектным словом «кить» — так в некоторых говорах называли кисть руки или пучок, связку. В этом случае прозвище Китьмень мог получить человек с характерной кистью руки (например, с травмой или особенностью) или же тот, кто вязал снопы, пучки. Однако версия с географическим корнем выглядит убедительнее: фамилия Китьменев крайне локализована и встречается почти исключительно в Вятском регионе (Кировская область, Удмуртия), что прямо указывает на её происхождение от конкретного места.

В переписных книгах XVII–XVIII веков по Вятскому уезду фамилия уже фиксируется. Например, в 1678 году среди крестьян Китьменской волости упоминаются Китьменевы — что характерно, в той же волости, что и река Китьма. Это типичный случай, когда фамилия и место жительства носителя совпадают, и со временем, при переселениях, она стала маркером «откуда родом». В дворянских родословных книгах Китьменевы не значатся — это крестьянская или мещанская фамилия, что подтверждается и её ареалом, и отсутствием в списках служилого сословия.

Словообразовательно фамилия стоит в ряду таких же «речных» фамилий, как Уржумцев, Ветлугин, Пижмин, но отличается тем, что основой послужил не полный гидроним (Китьма → Китьма → Китьменев), а уже производная форма с суффиксом -ень. Это нечастый случай: обычно от рек образовывали фамилии через -ский (Китьменский) или просто -ов (Китьмов). Вариант Китьменев — более архаичный, с двойной суффиксацией, что говорит о раннем закреплении прозвища до окончательного оформления фамильной системы.