Фамилия Омелехина — женская форма мужской фамилии Омелехин. Её основа напрямую связана с крестильным именем Емельян, которое в русской народной традиции приобрело множество просторечных вариантов. Имя Емельян (от греческого «аймилиос» — «ласковый», «льстивый») в быту звучало как Омельян, Емеля, Омеля. Фамилию образовали от уменьшительно-ласкательной формы Омелеха — так в семье могли звать человека по имени Омельян. Суффикс -ин указывает на принадлежность: буквально Омелехин — это «сын Омелехи» или «человек из рода Омелехи».

Интересно, что фамилия сохранила диалектное аканье: в литературном русском языке имя звучало бы как Емельян, а в южнорусских и среднерусских говорах «о» в безударной позиции произносилось как «а», что и закрепилось на письме. Такое написание — характерная примета регионов, где фамилия встречается чаще всего: Тамбовская, Воронежская, Рязанская области. В отличие от более распространённой фамилии Емельянов, образованной через суффикс -ов, вариант Омелехин встречается реже и несёт отпечаток местного говора.

Прозвище Омелеха могло относиться не только к самому Емельяну, но и к человеку, который по какой-то причине ассоциировался с этим именем — например, к работнику или соседу. В крестьянской среде до отмены крепостного права фамилии на -ин часто давали безземельным или дворовым людям, но в данном случае решающую роль сыграла именно форма имени, а не социальный статус. Однокоренные фамилии — Омельченко, Омельчук, Омельянович — распространены на Украине и в Белоруссии, тогда как Омелехин остаётся русским вариантом с характерным суффиксом.