Фамилия Немеловская — редкий случай, когда географическая основа почти наверняка перевешивает прозвищную. Скорее всего, перед нами типичная «выездная» фамилия, которую получил человек, переехавший из места с названием Немелово, Немелов или Немелова. Такие названия разбросаны по западной части России, Беларуси и Украине, и образованы они от прозвища Немел — человека, который говорил невнятно, картавил или был молчуном («немелый» в диалектах — косноязычный, неразговорчивый). Суффикс -ский в женском роде указывает на дворянское или шляхетское происхождение носителя: в XVIII–XIX веках такие фамилии закреплялись за выходцами из духовенства и мелкопоместного дворянства, реже — за крестьянами, которых переписывали по месту выхода.

Однако есть и вторая, менее очевидная версия. В некоторых говорах «немель» означало не человека, а предмет — например, непрочную вещь или хилую скотину. Если прозвище дали по хозяйственному признаку, то основа фамилии могла быть чисто бытовой, без географической привязки. Но против этой версии говорит именно суффикс -овск-: для прямого прозвища естественнее было бы образование Немелов или Немелин, а не столь явная топонимическая форма. Поэтому большинство ономастов, столкнувшись с такой фамилией, отнесли бы её к категории «посессивных на -ский», то есть указывающих на владение или происхождение из конкретного места.

Примечательно, что в старой орфографии фамилия могла писаться через «а» — Немеловская. Это не ошибка, а следствие акающего произношения, которое часто закреплялось в документах. Встречаются и варианты Немеловский (мужской род) и Немеловская (женский). В современных справочниках фамилия нечастотна, что подтверждает её локальный характер: вероятно, все носители восходят к одному или двум небольшим родам из бывших западных губерний Российской империи.