Фамилия Нелий — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. В ней нет ни типичного славянского суффикса -ов/-ев, ни -ин, что сразу наводит на мысль: перед нами не патроним (не «чей-то сын»), а либо застывшая форма прозвища, либо фамилия, пришедшая из другой языковой среды.

Самое вероятное объяснение — это русифицированная версия греческого имени Нелий. В греческой мифологии Нелей — сын Посейдона и Тиро, отец знаменитого Нестора. Имя Нелий (Νηλεύς) встречалось в византийской и поствизантийской традиции, особенно среди греческого духовенства и купечества. Попадая в русскую среду, такие имена часто теряли окончание и воспринимались как фамилии без дополнительных суффиксов. Так, выходец из греческих земель, которого звали Нелий, мог стать родоначальником фамилии в прямом переосмыслении: «Нелий» — то есть сам человек, а не его потомок.

Менее распространённая версия связывает фамилию с южнославянскими или румынскими корнями. В некоторых говорах «нелий» могло быть производным от глагола «нелить» — не жалеть, не щадить, но это скорее диалектное совпадение, чем надёжная этимология. Подтверждённых примеров такой модели в русских прозвищных фамилиях нет.

Географически фамилия встречается точечно — в центральных областях России, а также на юге (Краснодарский край, Ростовская область), где исторически была высока концентрация греческих переселенцев. В дореволюционных метрических книгах Нелии изредка фиксируются среди мещан и купцов, но никогда — в крестьянской среде, что косвенно подтверждает «городское» иноязычное происхождение.

Словообразовательный разбор здесь короткий: основа — Нелий, нулевая флексия. Фамилия не склоняется как типичная русская, что ещё раз говорит о её неадаптированном, «именном» характере. В современных справочниках (например, у Б. Унбегауна) подобные случаи описаны как «окаменевшие» личные имена, перешедшие в фамилии без изменений.