Фамилия Лемажихин — редкий образец «уральского» или «сибирского» типа фамилий, образованных по модели «-их(а) + -ин». Если большинство русских фамилий на -ин (Пушкин, Козлов) происходят от имени отца, то фамилии на -ихин (и -ыхин) указывают на принадлежность к дому или семье, главу которой называли по прозвищу в женском роде: «жена Лемажихи» → «дети Лемажихины» → «Лемажихин».

Ключ к основе — прозвище Лемажиха. Оно, в свою очередь, образовано от мужского прозвища Лемага или Лемаж. Скорее всего, в основе лежит диалектный глагол или имя. В северных и уральских говорах «лема» может означать «лентяй, рохля» или, напротив, «упрямец». Есть и более прозаичная версия: в архангельских и вятских говорах «лемешить» — работать сохой, пахать. Тогда Лемага — это пахарь, а Лемажиха — его жена. Фамилия могла закрепиться за их сыном, который пошёл по другой стезе, но остался «из дома Лемажихи».

Географически фамилия привязана к северо-востоку Европейской России и Зауралью. Наибольшая плотность носителей — в Кировской области и Пермском крае, что подтверждает связь с вятским и пермским говорами. Встречаются варианты написания Лемажихин и Лемажихин (с ударением на второй слог), что типично для фамилий, записанных на слух в XVII–XIX веках при переписях.

Словообразовательная модель «-ихин» встречается реже, чем «-ов» или «-ев». Она характерна для фамилий крестьянского сословия, особенно в тех регионах, где не было массового дворянского землевладения. Лемажихины, скорее всего, были государственными или экономическими крестьянами, а не помещичьими, поскольку такие фамилии редко попадали в ревизские сказки помещиков, где предпочитали давать прозвища по отцу.

Родственных фамилий мало: Лемагин, Лемешев, Лемяхов. Лемажихин стоит особняком из-за редкого суффикса, который сразу указывает на семейное прозвище матери, а не на имя отца. Это делает фамилию ценной для краеведов: она почти безошибочно локализует предков в треугольнике Вятка — Пермь — Урал.