Фамилия Кнельзен — редкий случай в русском ономастиконе. Она явно не русского, а немецкого или скандинавского происхождения: суффикс -зен (-sen) — типичный патронимический формант, который в немецком и датском языках означает «сын такого-то». То есть Кнельзен — это «сын Кнеля». Основа Кнель (Knell) — это либо прозвище, либо сокращение от полного имени. В немецком языке Knell означает «звон» или «удар колокола», и такое прозвище могли дать звонарю, человеку с громким голосом или тому, кто работал с колоколами. Вторая версия: Кнель — это вариант имени Конрад (Konrad) в диалектной форме, где корень «kühn» (смелый) со временем стянулся до Knell.

В России эта фамилия встречается единично. По данным переписей и телефонных справочников, основные носители — потомки немецких колонистов, переселившихся в Российскую империю в XVIII–XIX веках. Колонии немцев-меннонитов и лютеран были в Поволжье, на юге Украины и в Причерноморье. Фамилия Кнельзен могла закрепиться именно там, а затем, после депортаций и миграций XX века, рассеяться по стране.

Суффикс -зен делает фамилию «говорящей»: она сразу выдает не русское, а западноевропейское происхождение. В отличие от русских фамилий на -ов/-ев или -ин, которые образуются от имени отца через притяжательное прилагательное (Петров — сын Петра), Кнельзен построена по модели, характерной для северной Германии и Дании. Если бы фамилия русифицировалась, она могла бы звучать как Кнельев или Кнельский, но этого не произошло — носители, видимо, долго сохраняли культурную обособленность.

Сословно предки Кнельзенов, скорее всего, были крестьянами или ремесленниками в немецких колониях. Дворянских родов с такой фамилией в Российской империи не зафиксировано. Встречаются единичные упоминания Кнельзенов в метрических книгах евангелических церквей Санкт-Петербурга и Саратова конца XIX века — это подтверждает связь с немецкими общинами.