Фамилия Немоляев напрямую связана с прозвищем Немоляй. Так на Руси могли назвать человека, который пренебрегал молитвой или вовсе не молился. Скорее всего, подобное прозвище указывало на особенности характера: нерадивость в вере, вольнодумство или просто вызывающее поведение. Впрочем, есть и другая версия: Немоляем могли окрестить иноверца, то есть человека, не придерживающегося господствующего православного вероисповедания. В этом случае прозвище фиксировало не столько черту характера, сколько религиозную принадлежность или её отсутствие.

Прозвище Немоляй закрепилось за человеком как основное именование, а его потомки со временем стали писаться Немоляевыми. Словообразовательная модель здесь простая и распространённая: к основе прозвища добавили типичный русский суффикс -ев, образующий притяжательные фамилии. По такому же принципу возникали фамилии от личных имён и прозвищ у восточных, западных и южных славян, так что Немоляев вписывается в широкий ономастический контекст.

Интересно, что в самой основе прозвища сохранился редкий для современных фамилий оттенок отрицания: «не» + глагол «молить». Подобные «отрицательные» прозвища в старину давали не только за грехи, но и с долей иронии, а иногда и как оберег. Впрочем, для фамилии Немоляев более правдоподобной выглядит версия о реальной особенности человека, а не о защитном именовании.

Среди известных носителей фамилии — Светлана Владимировна Немоляева, советская и российская актриса театра и кино, народная артистка РСФСР. Её сценическая известность сделала фамилию узнаваемой, хотя самих Немоляевых в России немного. География фамилии не слишком широка, но она встречается в разных регионах, что типично для прозвищных фамилий, возникших независимо в разных местах.