Фамилия Летемина — женская форма фамилии Летемин, и её разбор стоит начать не с корня, а с необычного суффикса. В русских фамилиях на -ин обычно указывают на принадлежность к отцу или роду: Иванов сын → Иванов, Петров сын → Петров. Но здесь основа не имя, а прозвище или даже глагольная форма, что сразу выделяет фамилию из ряда типичных «патронимических».

Корень «лет-» отсылает к глаголу «лететь». В старых русских говорах «летема» или «летемя» могло означать нечто быстрое, порывистое, либо человека, который «летит» — торопится, суетится, или, наоборот, того, кто любит бывать в разъездах. Возможна и более прозаичная версия: в некоторых диалектах «летема» называли птицу, особенно перелётную, или даже насекомое — например, стрекозу. Тогда прозвище Летема давали либо лёгкому, подвижному человеку, либо тому, кто напоминал повадками птицу.

С точки зрения словообразования, фамилия прошла путь: прозвище Летема → отчество Летемин сын → фамилия Летемин. Суффикс -ин здесь закономерен: основы на -а в мужском роде дают именно такое окончание. Географически фамилия редкая, встречается в основном в центральных и северных регионах России — в Вологодской, Архангельской, Костромской областях, где диалектное слово «летема» могло бытовать дольше, чем в литературном языке.

Версия о происхождении от имени Летем (гипотетическое сокращение от Летемир или Летослав) маловероятна: такие имена не зафиксированы в древнерусских святцах и народных календарях. Поэтому прозвищное происхождение остаётся основным. Социально предки Летеминых скорее всего были крестьянами или посадскими людьми, поскольку прозвища с бытовой образностью редко встречаются в дворянских родах.

Ударение в фамилии, судя по диалектному произношению, падает на второй слог: Летеми́на. В письменных источниках XIX века встречается вариант с буквой «ё» — Летёмина, что подтверждает связь с глаголом «лететь»: в ряде говоров «летёма» произносилось через «ё». Сейчас орфография закрепилась с «е», но историческая вариативность напоминает о живой народной основе фамилии.