Фамилия Клеметьева — женская форма фамилии Клеметьев. В её основе лежит имя, причём не каноническое церковное, а его народная, бытовая переработка. Речь идёт о крестильном имени Климент (от латинского «милостивый»). В русской простонародной среде это имя часто звучало как Клементий, а в более коротких, обиходных вариантах — Клемя, Клема. От этих форм и пошла фамилия: суффикс -ев указывает на принадлежность («чей?»), то есть Клеметьев — сын Клемети, а Клеметя — одно из ласкательно-усечённых производных от Климента.

Интересна здесь замена гласной: не «Климентьев» (от полной формы), а именно «Клеметьев». Это говорит о том, что фамилия сложилась не в книжной, а в устной традиции, где звуки могли редуцироваться и меняться для удобства произношения. Такая модель встречается реже, чем фамилии на -ов, но вполне характерна для северных и центральных областей России, где любили сокращать имена.

Мужской вариант — Клеметьев — мог получить и прозвищное происхождение: в некоторых говорах «клемать» означало «клевать», «долбить», но эта версия менее вероятна, так как имя Климент было очень распространено. Социальный состав носителей фамилии в XIX веке был пёстрым: среди Клеметьевых встречались и крестьяне, и мещане, и священнослужители (в духовном сословии имя Климент почиталось как имя одного из пап римских).

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Клеметьев стоит ближе к Клементьеву, чем к Климову (которое пошло от сокращённой формы Клим). Фамилия Клеметьева — более редкий, диалектный след того, как простонародная речь перекраивала церковные имена на свой лад.