Фамилия Осмелкин — одна из тех, где исходное слово почти исчезло из языка, а фамилия осталась. Её основа — «осмелок». В русских говорах так называли осколок, отломок, щепку, кусок чего-то разбитого. «Осмелок» — однокоренное к «смел» (в смысле «сломал, отколол»), и родственными словами здесь будут не «смелость», а «обломок», «отломок». Человек мог получить прозвище Осмелок по разным причинам: за маленький рост и худобу (как щепка), за неаккуратную работу (всё ломает), либо, напротив, за то, что он «осколок» разорившегося рода или семьи. Второй возможный, но менее вероятный вариант — отчество от нецерковного имени Осмел, которое давали ребёнку, родившемуся после выкидыша или смерти предыдущих детей (как «остаток»).

Суффикс -ин указывает на принадлежность: Осмелкин буквально значит «сын Осмелка». Это типичная для северных и центральных русских областей модель образования фамилий от прозвищ, оканчивающихся на согласный. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще образовывались от полных форм имён, -ин закрепился за основами на -а, -я и за короткими прозвищами вроде Осмелок.

Встречаемость фамилии невысокая, что подтверждает её происхождение от локального диалектного слова. Носители Осмелкины исторически концентрировались в Вятской губернии и на Урале — именно в этих регионах слово «осмелок» фиксировалось диалектологами. В современных справочниках фамилия редкая, в списках дворянских родов не значится, что указывает на крестьянское или мещанское происхождение.