Фамилия Немелкова — женская форма, но её значение и происхождение проще понять через мужской вариант Немелков. В основе фамилии лежит прозвище Немелкий. В древнерусском языке слово «немелкий» означало «не мелкий», то есть крупный, глубокий, значительный. Человек мог получить такое прозвище за высокий рост, плотное телосложение или, в переносном смысле, за важность в общине, богатство или влиятельность.

Не стоит искать здесь корень «немец» или «мел». Суффикс -ов указывает на типичную модель образования русских фамилий: от прозвища на -ой или -ий. Сначала появилось отчество Немелков («чей сын?» — сын Немелкого), которое затем закрепилось как фамилия. В говорах могло звучать и как Немелков, и как Немелкой — оба варианта встречались.

Географически фамилия редкая, её очаги, по данным современных исследований, тяготеют к центральным и северо-западным областям России, в частности к бывшим Новгородским землям. Там, где диалектное слово «мелкий» произносили с твёрдым «л», прозвище Немелкой было естественным для местного говора.

Социальный контекст тоже проясняется: прозвище Немелкой могли дать не только крестьянину, но и купцу или ремесленнику, выделявшемуся среди «мелкого люда». Никакого отношения к немецкому происхождению фамилия не имеет — это чисто славянская словообразовательная модель, где отрицательная частица «не» слилась с прилагательным.

В словарях русских фамилий (например, у Б. Унбегауна) подобные образования с «не-» описываются как характерные для прозвищ, дававшихся по контрасту: Нелюб, Нехороший, Немелкий. Такие прозвища не обязательно несли негативный оттенок — часто они просто фиксировали особенность, выделявшую человека из среды.