Фамилия Нелюхин образована от прозвища Нелюха, которое в свою очередь восходит к диалектному слову «люха» — «грубый, некультурный, невежественный человек» — с отрицательной частицей «не». Здесь мы встречаемся с любопытным словообразовательным парадоксом: приставка «не-» в таких прозвищах часто не отрицает качество, а усиливает его, либо указывает на противоположное свойство. В народной речи «нелюхой» могли назвать человека, который словно бы «не люха», то есть не соответствует этому грубому типажу — мягкого, воспитанного, деликатного. В таком случае прозвище содержало указание на особенности характера и поведения основателя фамилии, выделяя его среди окружающих.

По другой версии, которую поддерживают некоторые ономасты, «нелюха» могло быть связано с глаголом «нелюдить» — чуждаться людей, быть необщительным. Тогда прозвище получил замкнутый, нелюдимый человек. Эта трактовка менее распространена, но имеет право на существование, поскольку в русских говорах «нелюдимый» и «нелюха» звучат как однокоренные слова.

Суффикс «-ин» в фамилии указывает на принадлежность: Нелюхин — это «сын Нелюхи», потомок человека, носившего такое прозвище. Модель типична для северных и центральных русских земель, где фамилии на «-ин» образовывались от слов, оканчивающихся на «-а» или «-я», без дополнительных изменений основы.

Прозвища с отрицательной частицей «не-» в русской антропонимии встречаются довольно часто: Некрасов, Неверов, Негодяев. Они выполняли роль оберегов — родители или соседи намеренно давали человеку «отрицательное» имя, чтобы отвести от него беду и сглаз. Возможно, Нелюха — это не характеристика, а охранительное именование, призванное защитить носителя от злых сил, которые якобы не тронут того, кого и так считают плохим.

Со временем прозвище закрепилось за человеком как наиболее употребительное именование, вытеснив крестильное имя, и легло в основу фамилии. Потомки Нелюхи, уже не помня о первоначальном значении, получили фамилию Нелюхин, которая сегодня воспринимается как обычная русская фамилия без негативного оттенка.