Фамилия Неземская — редкий случай, когда географический суффикс -ский/-ская не указывает на владение землей, а прямо отрицает связь с ней. В основе лежит прилагательное «неземской» или «неземский» — человек, не относящийся к земству, то есть к системе местного самоуправления в дореволюционной России. Земства появились в 1864 году и охватывали уезды и губернии, но не всё население входило в их ведение: крепостные крестьяне, горожане некоторых категорий, духовенство. Прозвище Неземской могли дать тому, кто жил вне земской территории, не платил земских сборов или просто сторонился общественных дел.

Модель образования типична для фамилий из прозвищ с отрицательной приставкой не-: Несмеянов, Нечаев, Некрасов. В случае Неземской суффикс -ск- добавляет оттенок принадлежности к группе или месту, хотя места как такового нет. Женская форма Неземская закрепилась, когда мужская основа (Неземской) уже устоялась, что характерно для фамилий на -ский/-ская, где род меняется по падежам, а не по полу носителя. В мужском варианте фамилия звучала бы Неземской, но в современном употреблении чаще встречается унифицированная форма Неземский.

Важно отличать от фамилии Неземной — та происходит от прилагательного «неземной» (не от мира сего) и имеет совсем другой смысловой оттенок. Неземской же — сугубо социальное прозвище, без мистики. Встречается фамилия преимущественно в центральных и южных губерниях, где земское устройство было особенно развито и противопоставление «земский — неземский» было понятно крестьянам и мещанам. В документах XIX века можно найти записи «Неземской» в метрических книгах Курской, Тамбовской и Воронежской губерний.

Дворянского происхождения у фамилии нет: основа «неземской» указывает скорее на непривилегированное положение, на человека, выпадающего из сословной сетки земства. Это не фамилия помещика, а прозвище крестьянина или мещанина, которого соседи выделяли по признаку «не наш по земской части». Сегодня фамилия редкая, её носители — потомки тех самых «неземских» людей, чей статус когда-то закрепился в родовом имени.