Фамилия Кулемкина — женская форма фамилии Кулемкин, и её происхождение напрямую связано с мужским прозвищем или именем Кулемка. Основа здесь — слово «кулёма», которое в русских говорах имело несколько значений, и все они проливают свет на то, кем мог быть первый носитель фамилии.

В диалектах русского языка «кулёма» — это прежде всего ловушка для зверей, капкан или западня, сделанная из кольев и жердей. Такое прозвище легко мог получить охотник, мастер по изготовлению ловушек, или человек, промышлявший этим ремеслом. Однако у слова было и переносное, ироничное значение: «кулёмой» называли неловкого, медлительного, неуклюжего человека, который всё делает «кулёмой» — то есть кое-как, небрежно. В ряде областей (например, в вятских и пермских говорах) так же звали неряху или неопрятного человека. Таким образом, прозвище Кулема могло относиться и к охотнику, и к человеку с характерной манерой поведения или внешности.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: суффикс -ин указывает на принадлежность («чей?»), то есть Кулемкин — сын или потомок Кулемы. Фамилия не имеет дворянского суффикса -ский и не указывает на географическое название, что говорит о её исконно крестьянском или посадском происхождении. Встречается она преимущественно в северных и центральных регионах России — в Вятской, Пермской, Костромской губерниях, где слово «кулёма» было особенно распространено.

Любопытно, что фамилия Кулемкин имеет однокоренные параллели: Кулемин (от той же основы, но с другим суффиксом), Кулямин, а также фамилии от других названий ловушек — Сильченко (от «силок»), Капканов. Но в отличие от них, основа «кулёма» даёт и бытовую, «домашнюю» версию происхождения, что делает фамилию семантически двойственной. Какая из версий верна для конкретного рода, сегодня сказать невозможно — оба варианта равноправны и правдоподобны.

Встречается написание через «ё» (Кулёмкин), но в паспортной форме чаще фиксируется как Кулемкин. Фамилия нередкая, но и не массовая: по данным современных исследований, носители Кулемкины живут в основном в Кировской, Нижегородской областях и в Удмуртии.