Фамилия Кулемякин — одна из тех, где исходное слово почти забыто, а фамилия осталась. Её основа — прозвище Кулемяка. Что оно означало, доподлинно не известно, но лингвисты предлагают несколько версий, и все они сводятся к бытовой, неофициальной характеристике человека.

Самая вероятная версия связывает прозвище с диалектным словом «кулёма» (или «кулема»). В русских говорах так называли неловкого, медлительного, неповоротливого человека, а также неряху. В некоторых регионах «кулёмой» называли и особый вид ловушки на зверя (кулёмка, плашка). Прозвище Кулемяка мог получить либо охотник, промышлявший такими ловушками, либо, что чаще, человек, который «кулёмится» — возится, делает всё неспоро и неаккуратно. Суффикс -як-/-як- в прозвищах часто придавал слову оттенок носителя признака (ср. «здоровяк», «простак»), так что Кулемяка — это человек, наделённый качеством «кулёмы».

Есть и более редкая версия, идущая от тюркских языков. В некоторых тюркских наречиях «кулем» или «кул» могло означать «раб», «слуга» (от арабского «гулям»). Однако эта версия значительно слабее: во-первых, суффикс -як- нехарактерен для тюркских заимствований в русских фамилиях, во-вторых, географическое распространение фамилии (преимущественно в центральной России и Поволжье) указывает скорее на русскую диалектную основу.

Фамилия образована по стандартной патронимической модели: от прозвища Кулемяка с помощью притяжательного суффикса -ин. Кулемякин — «чей?» — сын Кулемяки. В русской антропонимии суффикс -ин присоединялся к основам, оканчивающимся на -а/-я (в отличие от -ов/-ев для твёрдых согласных). Это одна из самых древних и распространённых моделей, характерная для крестьянского и мещанского сословия.

Ударение в фамилии чаще всего падает на последний слог — Кулемя́кин, хотя в некоторых говорах встречается вариант Кулемя́кин с ударением на «я». Письменная форма фамилии устойчива: варианты «Кулемакин» или «Кулемякины» встречаются, но редки и являются результатом местного произношения или ошибок писарей.

Сословная принадлежность предков Кулемякиных, скорее всего, была крестьянской. Фамилия не встречается в списках древних дворянских родов и не имеет «географических» окончаний (-ский/-цкий), указывающих на шляхетское или духовное происхождение. Это типичная «мирская» фамилия, возникшая в среде, где прозвище давалось по заметной черте характера или занятию. В ревизских сказках и метрических книгах XIX века Кулемякины встречаются в основном в Вятской, Костромской и Нижегородской губерниях — регионах, где диалектное слово «кулёма» было широко распространено.