Фамилия Лемонов — редкий случай, когда прозрачная на первый взгляд основа таит неожиданный поворот. На слух она почти неизбежно вызывает ассоциацию с цитрусом, но в русской ономастике всё сложнее. Само слово «лимон» вошло в обиход достаточно поздно, а фамилии от названий фруктов в крестьянской среде практически не встречались — для этого не было бытовой почвы. Поэтому прямое «фруктовое» происхождение маловероятно, хотя полностью исключать его нельзя: такую фамилию мог получить, например, торговец лимонами или человек с заметной внешностью (жёлтый оттенок кожи, рыжина).

Гораздо убедительнее другая версия — связь с диалектным глаголом «лемонить» или «леманить». В северных и сибирских говорах это означало «медлить, мешкать, делать что-то неспешно, с ленцой». Человека, который всё делал с прохладцей, вяло, могли прозвать Лемоня или Лемон. От такого прозвища и пошла фамилия Лемонов — через стандартную модель «чей?»: сын Лемона, потомок Лемона. Суффикс -ов указывает на типично русский, великорусский способ образования, без примеси украинского или польского влияния.

Есть и третья, более редкая версия: искажение фамилии Лимонов при переписи или в бытовом произношении. В ряде говоров «и» после мягких согласных переходило в «е» (ср. «мизинец» — «мезинец»). Так Лимонов мог превратиться в Лемонова. Однако эта гипотеза слабее: фамилия Лимонов сама по себе нечаста, и массового смешения не зафиксировано.

Географически Лемоновы тяготеют к северу и северо-востоку европейской части России — Вологодская, Архангельская, Кировская области. Именно там диалектное «лемонить» было в ходу, и именно там прозвищные фамилии на -ов особенно типичны. В южных регионах фамилия почти не встречается.

Словообразовательная модель проста: прозвище Лемон (от глагола) плюс патронимический суффикс -ов. Никаких дополнительных приставок или сложных суффиксов вроде -ский фамилия не содержит — это чисто русская, «мужицкая» фамилия, образованная от бытового прозвища по черте характера или поведению.