Фамилия Нельченко образована по типичной для украинской и южнорусской ономастики модели: к основе добавляется суффикс -енко, который исторически означал «сын» или «потомок». В данном случае основа — Нельча, уменьшительная форма от имени или прозвища. Скорее всего, в основе лежит крестильное имя Корнелий (в народной форме Корней) или его вариант Нестор. В украинской традиции имя Корнелий нередко сокращали до Нель, Нелько, отсюда и Нельча — человек, которого так звали в семье или в общине. Соответственно, Нельченко — буквально «сын Нельчи», то есть потомок человека с таким прозвищем или уменьшительным именем.

Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с диалектным словом «нель» — так в некоторых говорах называли неуклюжего или медлительного человека. В этом случае прозвище Нельча мог получить обладатель такой черты характера, а его дети стали Нельченками. Однако эта гипотеза слабее, поскольку слово «нель» почти не фиксируется в письменных источниках, а имя Нестор или Корнелий встречается в документах XVII–XVIII веков на территории современной Украины и Курской губернии.

Фамилия Нельченко — сравнительно редкая. Её географическое ядро, судя по данным переписей и архивов, — это Полтавская и Черниговская области, а также приграничные районы России (Белгородчина, Курщина). Там фамилия могла возникнуть в среде казаков или крестьян, не имевших закреплённого сословного статуса. Суффикс -енко в этой местности был самым распространённым способом образовать семейное имя, поэтому Нельченко — типичный пример фамилии «от имени отца», каких в регионе тысячи.

В написании фамилии стоит обратить внимание на букву «е» после «л»: она сохраняется во всех падежах, в отличие от некоторых фамилий на -енко, где встречается чередование. Это указывает на то, что ударение в фамилии, скорее всего, падает на второй слог — Нельче́нко, хотя в бытовой речи возможны варианты.