Фамилия Олемская образована от прозвища Олемский, которое этимологически связано с названием села Олема. Село Олема находится в Лешуконском районе Архангельской области на высоком обрывисто-глиняном берегу реки Вашки. Название Олема этимологически связано с диалектным словом «мольма», что значит «мольба». Менее вероятно, что фамилия Олемская образована от татарского имени Алем, которое переводится как «рука», а переносном значении — «помощник, опора». Изменение «а» на «о» могло стать результатом влияния на облик фамилии «окающих» говоров. Суффикс -ская в этом случае указывает на возможное украинское происхождение фамилии Олемская. В результате, потомок человека, обладающего прозвищем Олемский, со временем получил фамилию Олемский.