Фамилия Колемасовы (в документальной форме — Колемасов) образована от личного имени или прозвища и относится к распространённому типу мордовских фамилий. В её основе, скорее всего, лежит мордовское имя Колемас. Точное значение этого имени неизвестно, но исследователи связывают его с мордовским словом «колема» — «гниение». Скорее всего, это было «охранное» имя: в архаичных культурах ребёнку могли намеренно дать имя с «плохим», отпугивающим смыслом, чтобы уберечь его от болезней и сглаза.

Однако существует и вторая, не менее правдоподобная версия. В основе фамилии могло лежать не имя, а прозвище Колемас, образованное от названия реки Колемас — правого притока Сердобы. Этот гидроним тоже восходит к слову «колема», поскольку местность вдоль реки богата торфом, а торфяные болота ассоциировались с гниением и тленом. Прозвище по реке могли дать человеку, жившему на её берегах или переселившемуся оттуда.

Отдельного внимания заслуживает этнографическая деталь: в Земетчинском районе жителей села Нижняя Матчерка в прошлом дразнили колемасами. Значение этого прозвища не объяснялось, но оно явно указывает на устойчивую связь корня с конкретной местностью и группой людей. Это позволяет предположить, что фамилия могла закрепиться за выходцами именно из этого региона.

Таким образом, потомок человека по имени Колемас или носителя прозвища Колемас со временем получил фамилию Колемасов. Словообразовательная модель проста: к основе на твёрдый согласный добавился типичный русский суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — сын Колемаса). О точном времени возникновения фамилии говорить сложно, так как процесс становления фамилий у мордвы был длительным, но в целом фамилия Колемасов — памятник не столько славянской, сколько мордовской антропонимии, вобравший в себя языковые и географические особенности Поволжья.