Фамилия Кулемеев — яркий пример того, как прозвище, данное человеку по характеру, закрепилось в родовом имени. В её основе лежит древнерусское слово «кулемеса» (или «кулемесить»), которое означало путаницу, неразбериху или суматоху. Соответственно, Кулемеей в народе могли прозвать беспокойного, суетливого человека, который вечно что-то перекладывает, мешает или создаёт хаос. В некоторых говорах это слово имело и более конкретный оттенок — «делать кое-как, небрежно», что тоже метко характеризовало носителя прозвища.

Словообразовательная модель проста и типична для русского севера и востока. Фамилия образована по патронимическому принципу: от прозвища Кулемей (или Кулемея) с помощью суффикса принадлежности -ев (вариант -ов после мягкой основы). То есть Кулемеев буквально означает «сын Кулемея» или «потомок Кулемеи». Окончание -ев, а не -ов, указывает на то, что основа прозвища оканчивалась на мягкий согласный или «й».

Интересно, что в русских говорах слово «кулемеса» и его производные чаще всего фиксировались в северных и сибирских областях, а также на Урале. Это даёт основания предполагать, что географический центр фамилии — именно эти регионы. Встречаются однокоренные фамилии Кулемесов, Кулемин, Кулемзин — все они восходят к тому же корню и тому же кругу значений, но с разными суффиксами.

В отличие от многих фамилий, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров), Кулемеев — «мирская» фамилия, то есть возникшая из прозвища, данного не при крещении, а в быту. Такие прозвища в крестьянской среде были распространены повсеместно, и часто они оказывались настолько точными, что вытесняли церковное имя. В данном случае прозвище не было оскорбительным — скорее, шутливым, характеризующим живой и непоседливый нрав человека.