Фамилия Николеевская — одна из тех, что сразу выдают своё происхождение: она образована от имени Николай через притяжательное прилагательное с суффиксом -ев-. Но здесь есть важная деталь: в основе лежит не каноническая форма Николай, а народно-разговорный вариант Николе́й (с ударением на последний слог). Такое произношение было характерно для южнорусских и украинских говоров, где имя нередко звучало как Микола или Николий. Отсюда и фамильный суффикс -евск-, а не более привычный -овск-.

Фамилия принадлежит к типу «дворянских» по форме — на -ский/-цкий. В XVIII–XIX веках такие фамилии часто получали священники, окончившие духовные училища или семинарии, а также мелкопоместные дворяне, бравшие фамилию по названию своего поместья или храма. Николеевская могла возникнуть как от названия села или деревни с именем Николеевка (такие есть на Украине и в южных областях России), так и от церковного прихода в честь святителя Николая — Никольской церкви. Однако в отличие от массовой фамилии Никольский, форма Николеевская сохранила живой, диалектный оттенок в корне.

Сравнение с однокоренными фамилиями показывает, что Николеевская — вариант более редкий, чем Николев или Николевский. Суффикс -евск- в русской ономастике встречается реже, чем -овск-, и часто указывает на то, что основа была адаптирована из местного говора. По статистике конца XIX века, фамилия фиксировалась преимущественно в Черниговской, Полтавской и Харьковской губерниях — то есть в зоне украинско-русского пограничья, где имя Николай в быту произносили как Николий или Никiл.

Если предки носили эту фамилию, они, скорее всего, были либо сельскими священниками (приходскими или диаконами), получившими фамилию при поступлении в семинарию, либо крестьянами, переселившимися из села, названного в честь Никольской церкви. В любом случае, фамилия прямо указывает на связь с культом Николая Чудотворца — одного из самых почитаемых святых в православии. Никаких иных версий, кроме как от имени или топонима, у этой фамилии нет: попытки вывести её от нерусского корня не подтверждаются ни географией, ни словообразованием.