Фамилия Немелков образована от прозвища Немелко, а оно, в свою очередь, — от прилагательного «немелкий». В старых говорах слово могло иметь два значения. Первое — «не мелкий по размеру, крупный», второе — «не мелочный, не придирчивый, не скупой». Скорее всего, прозвище давали рослому, видному человеку или, наоборот, подчёркивали широту его натуры, отсутствие скряжничества.

Суффикс -ов указывает на типичную русскую патронимическую модель: Немелков — сын Немелка. Фамилия могла закрепиться в любой части России, где бытовало слово «немелкий» в указанном значении. Прямых параллелей с церковными именами у основы нет, перед нами чисто светское прозвище, что характерно для значительной части русских фамилий, возникших в крестьянской и посадской среде.

Встречается также вариант написания Немилков — от прозвища Немилко (от «немилый»). Это другая фамилия, с иной семантикой, но в ряде регионов из-за акающего произношения граница между ними стиралась: Немелков могли записать как Немилков, и наоборот. В переписных книгах и ревизских сказках XVIII–XIX веков обе формы фиксируются, но Немелков встречается реже, что делает его более локальным и специфичным.

Сословная принадлежность носителей фамилии не закреплена жёстко: Немелковы могли быть как государственными крестьянами, так и однодворцами южных уездов. Известных исторических личностей с этой фамилией нет, что не умаляет её ценности как свидетельства живого народного языка, сохранившего забытый оттенок слова.