Фамилия Неомелева — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. На первый взгляд её основа кажется иноязычной, но при внимательном разборе в ней прослеживается вполне русская словообразовательная логика, хотя и с нестандартным началом.

Ключ к пониманию — суффикс -ев, который указывает на принадлежность («чей?»). Фамилия образована от прозвища или имени Неомель. В русской ономастике известна модель, где приставка не- присоединялась к основе глагола или существительного, создавая прозвище по отсутствующему качеству: Некраса (некрасивый), Неудача, Нелюб. Аналогично могло возникнуть прозвище Неомель — от глагола «омелеть» (стать мелким, обмелеть). В переносном смысле так могли назвать неглубокого человека, не обладающего основательностью, или же, наоборот, с иронией — того, кто «не мелеет», то есть не иссякает, не теряет силы. Второй вариант правдоподобнее: прозвища с частицей не- часто давали как оберег или с противоположным значением.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным регионам России. Встречается в Архангельской, Вологодской и Костромской областях — там, где активно бытовали прозвищные фамилии на -ев и где слово «омель» (мель, отмель) было в ходу в диалектной речи. В некоторых говорах «омель» означало не только речную мель, но и вялого, медлительного человека, что тоже могло лечь в основу прозвища.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Мельников, Мелехов, Омельченко — показывает, что корень мель- в фамилиях обычно связан с ремеслом (мельник) или с топонимом (деревня на мели). Неомелев стоит особняком: здесь нет ни профессии, ни места, а есть чисто прозвищная характеристика. Это делает фамилию скорее «качественной», нежели «профессиональной» или «географической».

Вариант написания с двумя «е» (Неомелева, а не Неомелёва) указывает на то, что ударение, скорее всего, падает на второй слог: Нео́мелев. В документах XIX века фамилия могла фиксироваться и как Неомелевъ, без изменений по родам. Мужской вариант — Неомелев — столь же редок, но встречается в тех же областях.

Никаких известных исторических деятелей с этой фамилией не зафиксировано, что типично для прозвищных фамилий крестьянского сословия: они редко попадали в дворянские родословные книги. Фамилия сохранилась в глухих деревнях, где прозвище передавалось по наследству без изменения.