Фамилия Нельин — редкий пример, где суффикс -ин присоединился не к полному имени, а к краткой форме, да ещё и с неочевидным чередованием. В основе, скорее всего, лежит имя Неля — уменьшительная форма от Неонила (греческое «новая, юная»). Форма Неля — нестандартная: обычно от Неонилы образуют Нила, Неля, но в народной среде имя переделывали по-своему, и Неля могло звучать как самостоятельное. Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: «чей?» — Нельин, то есть сын или потомок Нели.

Есть и вторая версия, более прозаическая: Неля — это диалектное прозвище. В некоторых говорах «неля» или «нелька» означало нечто неуклюжее, неловкое, иногда так называли ленивого или медлительного человека. Тогда фамилия — не от крестильного имени, а от мирского прозвища, которое давали по характеру или поведению. Такие прозвища были распространены в крестьянской среде и часто вытесняли забытые календарные имена.

География фамилии узкая. Нельины встречаются в Поволжье — в Нижегородской области, Чувашии, Татарстане. Это наводит на мысль, что фамилия могла возникнуть на стыке русских и финно-угорских земель, где имена и прозвища порой приобретали неожиданные формы. В документах XVII–XVIII веков фамилия не фиксируется — это говорит о её позднем происхождении, скорее всего, не раньше середины XIX века, когда у крестьян массово закрепились фамилии.

Сравните с однокоренными фамилиями: Неляев, Нелькин, Нелидов. Они образованы от тех же основ, но с разными суффиксами. Нельин стоит особняком: суффикс -ин при краткой основе — обычная для русских фамилий модель (ср. Ильин, Петин), но в сочетании с редкой основой даёт уникальное звучание.