Фамилия Клемендеева — довольно редкая и примечательная по своей словообразовательной модели. Её основа восходит к просторечной или диалектной форме имени Клементий. В русской народной среде каноническое церковное имя Клементий (от латинского clemens — «милостивый, снисходительный») часто укорачивалось и видоизменялось: Клемен, Клим, Клемендей. Форма «Клемендей» — один из таких вариантов, характерный для северных и сибирских говоров, где имя могло обрастать уменьшительными или пренебрежительными суффиксами.

Далее словообразовательная цепочка типична для русских фамилий: от прозвища или некалендарного имени Клемендей через притяжательное прилагательное (чей? — Клемендеев) образовалась фамилия. Однако в написании «Клемендеева» мы видим суффикс -еев, а не -ев. Это не ошибка, а указание на то, что исходная основа оканчивалась на -ей. В данном случае суффикс -еев присоединился к основе «Клемендей»: Клемендей → Клемендеев. Фамилии на -еев встречаются реже, чем на -ев или -ов, что делает Клемендеева более редкой даже среди однокоренных «Клементьев», «Климов» и «Клеменов».

Географически фамилия тяготеет к северным областям России (Архангельская, Вологодская) и к Поволжью, где имя Клементий было популярно в крестьянской среде. Носители фамилии — потомки людей, которых в быту звали не Климом и не Клементием, а именно Клемендеем. Такая форма имени могла возникнуть как ласкательная («Клемендеюшка») или, наоборот, как прозвище с оттенком фамильярности.

Поскольку фамилия недворянская и не получила широкого распространения в столицах, её обладатели, скорее всего, были государственными или помещичьими крестьянами. Встречаются также варианты написания с одной «е» в середине (Клемендеев, Клемендеева) — это следствие бытовой неграмотности при записи в метрических книгах, когда народное имя записывали на слух.

Спорных версий происхождения у этой фамилии нет: она прозрачна по составу, и все альтернативные гипотезы (например, связь с тюркскими корнями) отпадают из-за чёткой славянской модели с суффиксом -еев. Единственная неочевидная деталь — почему закрепилась именно форма «Клемендей», а не более привычные «Климентий» или «Климент». Ответ, скорее всего, в местной речевой традиции: на Русском Севере имя «Клементий» часто произносили с ударением на второй слог и редуцировали окончание, превращая его в «Клемендей».