Фамилия Кулёммина — редкий случай, когда написание почти полностью совпадает с произношением, но именно эта «почти» и скрывает главную загадку. Сразу бросается в глаза двойная «м»: в русских фамилиях на -ин такое удвоение обычно возникает на стыке корня и суффикса, но здесь корень явно заканчивается на «м», а суффикс «ин» добавляет вторую. Значит, основа фамилии — Кулёмма или, что вероятнее, Кулемма.

Исходное слово, скорее всего, прозвище Кулёма. В русских говорах «кулёма» — это не только ловушка для зверей (кулема), но и неловкий, медлительный человек, а в некоторых диалектах — неряха. Основа та же, что в слове «кулёк» (мешок) или в глаголе «куляться» (валяться, пачкаться). Прозвище было нелестным, но в крестьянской среде XV–XVII веков такие имена давали часто, чтобы «обмануть» нечистую силу: чем хуже имя, тем меньше шансов, что злой дух позарится на ребёнка. Позже прозвище стало фамилией через стандартную модель: Кулёма + суффикс принадлежности -ин, то есть «сын Кулёмы».

Удвоение «м» в фамилии Кулёммина могло возникнуть из-за народной этимологии: носители фамилии могли осознавать её как «кулём-м-ина», связывая с чем-то объёмным, или просто под влиянием орфографической привычки писать двойные согласные в фамилиях на -ин (сравните с фамилиями типа Дружинин, где двойная «н» закономерна). В дореволюционных документах встречаются варианты Кулемина и Кулёммина, но в современном написании закрепилась двойная «м».

Географически фамилия тяготеет к северо-востоку России: Вологодская, Кировская области, Пермский край. В этих местах слово «кулёма» в значении «ловушка» было в ходу у охотников, а прозвище Кулёма фиксируется в писцовых книгах XVI века. Сословно предки были, скорее всего, государственными или помещичьими крестьянами, реже — охотниками-промысловиками. Дворянских родов с такой фамилией не известно.

Если сравнить с однокоренными фамилиями — Кулемин, Кулеминский, Кулёмкин, — то Кулёммина стоит особняком из-за графического удвоения. По сути, это та же Кулемина, но с «лишней» буквой, которая стала фамильным признаком. В современной России фамилия редкая, её носители — в основном потомки тех самых крестьян из северных губерний, и двойная «м» осталась для них просто привычным написанием, без осознания первоначального прозвища.