Фамилия Олемской образована от аналогичного прозвища, 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». Таким образом, прозвище Олемской могло закрепиться за выходцем из этого села. Менее вероятно, что фамилия Олемской образована от татарского имени Алем, которое переводится как «рука», а переносном значении — «помощник, опора». Чередование звуков «а» и «о» в основе данного именования могло стать результатом влияния «окающих» говоров. Суффикс -ская в этом случае указывает на возможное украинское происхождение фамилии Олемской. В результате, потомок человека, обладающего прозвищем Олемский, со временем получил фамилию Олемский.