Фамилия Клёмина образована от имени Клёма — уменьшительной формы крестильного имени Климентий. Греческое слово, лежащее в основе имени, имеет два толкования: «милостивый» и «виноградная лоза». Второе значение, связанное с виноградарством, могло быть особенно понятным в южных регионах, где эта культура была распространена, но сама фамилия встречается шире — в центральной России и Поволжье.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: Клёмины — буквально «чьи?» — люди из семьи Клёмы. Такая модель типична для русских фамилий, образованных от имён и прозвищ, оканчивающихся на -а или -я. Если бы основой была полная форма имени, фамилия звучала бы как Климентьев.

Вероятно, основатель рода был выходцем из рабочей или крестьянской среды. В документах XV–XVII веков форма Клёма нередко встречается среди посадских людей и крестьян, тогда как полное имя Климентий чаще носили представители духовенства и купечества. Социальный контекст здесь прочитывается прямо: фамилия закрепилась в среде, где ценили краткие обиходные варианты имени.

Написание с буквой «ё» — не случайность, а указание на ударение. В говорах, где ёканье было нормой, имя произносили именно так: Клёма. В документах XIX века можно встретить варианты Клемина или Кленина, но форма с «ё» точнее передаёт живую народную речь.