Фамилия Колемачкина — женская форма, исходная мужская — Колемачкин. По своей словообразовательной модели она вписывается в ряд русских фамилий на -ин, которые образованы от личных имён, прозвищ или названий профессий, оканчивающихся на -а или -я. В данном случае основа — Колемачка. Суффикс -к- в этой основе указывает на уменьшительную или пренебрежительную форму: так на Руси могли называть человека с определёнными чертами характера или внешности.

Корень фамилии — «колем-» — вызывает несколько версий. Наиболее вероятная связь с диалектным глаголом «колемать», который в некоторых говорах означал «шататься, слоняться без дела» или «делать что-то медленно, неуклюже». Соответственно, Колемачкой могли прозвать медлительного, нерасторопного человека или, наоборот, того, кто постоянно бродит, не сидит на месте. В ономастике такая модель типична: прозвище по действию или поведению переходило в фамилию, когда дети и внуки начинали носить имя отца как родовое.

Менее распространённая версия связывает корень с именем Калем (или Калим) — одной из народных форм канонического имени Каллиник (от греч. «прекрасная победа»). В этом случае Колемачка — это «маленький Калем», а фамилия оказывается по происхождению «сын Колемачки». Однако эта гипотеза слабее: имя Калем в русской традиции встречается редко, а прозвищная версия объясняет и суффикс, и семантику естественнее.

Фамилия Колемачкин — редкая, с ярко выраженной региональной привязкой. Большинство её носителей (как мужчин, так и женщин) исторически встречаются в центральных и северных областях России — в частности, в Вологодской, Костромской и Кировской областях. Это объясняется тем, что именно в северных говорах глагол «колемать» был особенно употребителен. Сословно Колемачкины скорее всего относились к крестьянам или посадским людям: прозвища, образованные от бытовых действий, редко встречались у дворянства, которое чаще брало фамилии по географическим названиям или именитым предкам.

Таким образом, фамилия Колемачкина — это память о прозвище предка, которое, вероятно, дали ему за манеру поведения. В отличие от многих фамилий на -ов или -ев, она сохранила редкий диалектный корень, который сегодня почти исчез из живой речи.