Фамилия Неленсон — редкий пример фамилии, образованной не от славянского корня, а по западной модели «имя отца + -сон». Суффикс -сон (швед. «сын») указывает на скандинавское или, чаще, балтийское происхождение: в Швеции, Норвегии, Дании и в остзейских губерниях Российской империи такие фамилии давали детям по имени отца. Основа Нелен- восходит, скорее всего, к личному имени Нель (Nels) — скандинавской краткой форме от Николас (Николай). Таким образом, Неленсон буквально означает «сын Неля», то есть потомок человека по имени Нель.

В русской среде фамилия закрепилась через еврейское население западных и северо-западных губерний, где в XIX веке по указу о всеобщей переписи евреям предписывали брать фамилии. Часто им давали фамилии по модели на -сон, распространённой среди балтийских немцев и латышей, либо по патронимическому принципу. Неленсон могла возникнуть от имени Нель (Нильс) как у балтийских евреев, так и у обрусевших немцев или шведов, живших в Прибалтике. Регион бытования — бывшие Лифляндская, Курляндская, Витебская губернии, откуда фамилия позже разошлась по России.

Словообразовательная модель проста: корень Нелен- (от Нель) + формант -сон, указывающий на отчество. В русском языке такие фамилии не склоняются по падежам, как и все фамилии на согласный. Аналогов по структуре много: Абрамсон, Бергсон, Янсон. Но Неленсон выделяется редкостью — ни в словаре Б. Унбегауна, ни в работах В. Никонова она не упоминается, что подтверждает её локальный характер.

Менее вероятная версия — связь с немецкой фамилией Nellen (от топонима Nellen) с последующим добавлением -son. Но тогда форма была бы Нелленсон, а не Неленсон. Поэтому происхождение от имени Нель остаётся основным и самым правдоподобным.