Фамилия Омеличева — женская форма от Омеличев, а та, в свою очередь, восходит к просторечной форме крестильного имени Емельян. В русских говорах имя Емельян (от греческого «ласковый, льстивый») произносили как Омельян, отсюда и пошла основа. Суффикс «-ичев» в этой фамилии указывает на отчество второго порядка: Омеличев буквально значит «внук Омели». То есть сначала от имени Омеля (народный вариант Емели) образовали отчество Омелич («сын Омели»), а затем от него — фамилию с патронимическим суффиксом «-ев» (фонетически закономерное «-ев» после мягкого согласного «ч»).

Модель образования на «-ичев» — характерный признак северных и центральных губерний России, особенно Вологодской, Архангельской, Костромской и Вятской. Там такие фамилии встречались в крестьянской среде гораздо чаще, чем на юге, где предпочитали формы на «-енко» или «-ук». Омеличевы, скорее всего, были потомственными крестьянами или ремесленниками из этих регионов.

Редкость фамилии в том, что она сохранила архаичную огласовку корня с «о» вместо «е» — «Омеличев», а не «Емеличев». Это говорит о том, что она закрепилась в письменных документах ещё до того, как церковная норма начала вытеснять народное произношение. Встречаются и варианты с двойным «л» — Омелличев, но основная форма именно Омеличев, с одной «л».

Других версий происхождения, заслуживающих серьёзного внимания, нет: попытки связать фамилию с диалектным словом «омель» (какой-либо вид рыбы или растения) не подтверждаются словарями и не объясняют характерный суффикс «-ичев». Фамилия однозначно патронимическая, и её корень — имя Омеля.