Фамилия Омельянцева — женская форма от Омельянцев, и её разговорный, «простонародный» облик сразу выдаёт историю происхождения. В основе лежит имя Омельян — это народная, восточнославянская переработка канонического имени Емельян. В русских говорах начальное «Е» часто заменялось на «О» (ср. Олена из Елена, Овдоким из Евдоким), а мягкое «м» отвердело. Так Емельян превратился в Омельяна, и эта форма закрепилась в фамилиях.

Суффикс -цев указывает на принадлежность: Омельянцев буквально значит «сын Омельяна» или «потомок человека по имени Омельян». Модель образования типична для русских фамилий XVI–XVII веков, когда отчества на -ов/-ев и -ин ещё не вытеснили старый притяжательный суффикс -цев. Такие фамилии чаще встречались в крестьянской и посадской среде, особенно на севере и в центральных областях России, где дольше держались архаичные формы.

Само имя Емельян (греч. Aemilianus) восходит к римскому родовому имени Эмилий — «соперник». В святцах оно появилось благодаря нескольким раннехристианским мученикам, но в народе быстро обросло уменьшительными и просторечными вариантами. Омельян — один из них, и именно он дал жизнь фамилии.

Географически фамилия Омельянцев (и Омельянцева) тяготеет к южнорусским и украинским областям, хотя встречается и в Сибири, куда переселенцы принесли её в XIX веке. В переписных книгах XVII века по Белгородской и Воронежской губерниям нередко фиксировали «Омельяновых детей», что со временем превратилось в Омельянцевых.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Емельянов, Емельянцев, Омельянов — вариант Омельянцев стоит особняком: он сочетает и народную огласовку корня (Омель-), и редкий суффикс -цев, что делает его более редким и локально окрашенным. Носительница такой фамилии может с высокой вероятностью проследить корни в среде крестьян или однодворцев юга России, где имя Омельян было распространено.