Фамилия Омелаева образована от мужского варианта Омелаев, а тот, в свою очередь, от прозвища или нецерковного имени Омела. В русской традиции так могли называть человека, имевшего какое-то отношение к омеле — вечнозелёному кустарнику-паразиту, который зимой покрывается белыми ягодами. Омела в народной культуре — растение заметное и символичное: её считали целебной, использовали в обрядах, но вместе с тем она ассоциировалась с навязчивостью, прилипчивостью (отсюда и глагол «омелиться» — привязаться, надоесть). Прозвище Омела мог получить либо знахарь, собиравший травы, либо человек с цепким, навязчивым характером.

Модель образования типична для русских фамилий: основа Омела плюс притяжательный суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Омелаев сын, то есть потомок Омелы). Суффикс -ев, а не -ов, появляется потому, что основа заканчивается на мягкий согласный или на -а (в беглой речи Омел-а → Омел-ев). Это стандартный механизм, описанный в работах Б. Унбегауна.

Стоит отметить, что фамилия Омелаев/Омелаева встречается нечасто. Её географическая привязка — скорее южнорусские и украинские земли, где слово «омела» бытовало активнее, а суффикс -ев в фамилиях на -а распространён шире, чем на севере. В некоторых говорах фамилию могли записать и как Омелёв (с ударением на второй слог), но Омелаев — более редкий и точный вариант, сохранивший исходную основу.

В отличие от популярных фамилий на -ов, где корень часто затемнён, здесь прозрачность сохранилась: носитель фамилии может быть уверен, что его предка прозвали по растению, а не по имени. Другие возможные версии — от диалектного слова «омела» в значении «обманщик» или от тюркского имени (встречается фамилия Омелов у татар), — для фамилии Омелаева маловероятны, так как суффикс -ев и мягкая основа указывают на славянскую почву.