Фамилия Кочелюк — яркий пример украинской модели фамилии на -юк, которая указывает на происхождение от предка по имени или прозвищу. Суффикс -юк (а также -ук, -чук) в украинской ономастике значит «маленький» или «сын кого-то»: Кочелюк — это, скорее всего, «сын или потомок Кочела». В русском языке такая фамилия встречается реже, и её носители почти всегда имеют украинские или южнорусские корни.

Основа фамилии — прозвище Кочел. Точное значение этого слова неоднозначно, и здесь стоит разобрать две основные версии. Первая: в украинских говорах «кочел» (или «кочіль») — это кочедык, инструмент для плетения лаптей. Такое прозвище могли дать мастеру-лапотнику или человеку, который постоянно возился с лыком и берестой. Вторая, более вероятная версия: «кочел» — фонетический вариант слова «котел». В украинском языке «о» в закрытом слоге часто переходит в «і» (кіт — кота), но в некоторых говорах и в безударной позиции встречается форма «кочел». Тогда прозвище Кочел мог получить котельщик, медник или просто человек с круглой, «котлообразной» головой. Обе версии укладываются в логику бытовых прозвищ, которые давали по ремеслу или внешности.

Сравнение с однокоренными фамилиями подтверждает украинскую природу. Параллельные формы — Кочелаев, Кочеланов (с русским суффиксом -ов) и Кочеленко (с суффиксом -енко, также типичным для Украины). Фамилия Кочелюк — самая «молодая» в этом ряду, так как суффикс -юк активно формировал фамилии в Западной Украине и на Подолье в XVII–XIX веках. Географически фамилия сегодня рассредоточена, но заметно тяготеет к Винницкой, Хмельницкой и Житомирской областям, а также к приграничным районам Беларуси.

В сословном плане предки Кочелюков были, скорее всего, крестьянами или мещанами. Дворянских родов с такой фамилией в Российской империи не зафиксировано. Зато в казачьих реестрах Гетманщины и в метрических книгах XIX века фамилия встречается, что указывает на её простонародное, но устойчивое бытование.