Фамилия Нелюдимова — женская форма от Нелюдимов, и её основа сразу выдаёт прозвище предка: Нелюдим. В древнерусском языке «нелюдим» означало человека необщительного, угрюмого, избегающего людей. Прозвище могло закрепиться за отшельником, застенчивым крестьянином или, наоборот, за тем, кого считали недружелюбным из-за сурового нрава. В отличие от многих фамилий, образованных от имён или профессий, эта прямо описывает черту характера — и таких «психологических» прозвищ в русской традиции немало (Молчанов, Грознов, Суровов).

Словообразовательная модель простая: суффикс -ов (в мужском роде) указывает на принадлежность — «сын Нелюдима». В женской форме добавляется окончание -а, что стандартно для русских фамилий. Интересно, что фамилия Нелюдимов встречается реже, чем её однокоренные аналоги вроде Нелюбина (от «нелюб»), но оба корня — из одного семантического поля: нелюдимый, нелюбящий, нелюдный.

С географией сложнее: фамилия не входит в число массовых и чаще фиксируется в центральных и северных областях России, особенно в старых переписях Вологодской и Архангельской губерний, где прозвища с отрицанием «не-» были распространены (Неверов, Некрасов, Неустроев). Это объяснимо: в условиях крестьянского быта прозвище «Нелюдим» могло дать нелюдимому соседу или работнику, который сторонился общих гуляний.

Сословный состав носителей — почти исключительно крестьяне и мещане. Дворянских родов с такой фамилией нет, что логично: фамилия образовалась от прозвища, а не от вотчины или титула. Встречаются варианты написания с одной «м» (Нелюдимов), но это скорее ошибка писаря, чем устоявшаяся форма.

Если коротко: предок носителя фамилии получил прозвище за необщительность или замкнутый образ жизни, а фамилия закрепилась за его потомками в северных и центральных губерниях России. Никакой тайны или сложной этимологии — просто меткая народная характеристика, ставшая родовым именем.