Фамилия Осмелкина — женская форма, а мужская — Осмелкин. В её основе почти наверняка лежит прозвище или мирское имя Осмелок. В русских говорах «осмелок» — это небольшой остаток, обрубок, чаще всего дерева или бревна. Человека могли так прозвать за невысокий рост, коренастость или, наоборот, за какую-то незавершённость, «обрубленность» характера. Есть и другая, менее вероятная версия: в некоторых диалектах «осмелиться» означало «осмелеть, стать дерзким», и прозвище Осмелок могло закрепиться за бойким, смелым человеком. Но первая трактовка — через «обрубок» — встречается в ономастических работах чаще и кажется более убедительной, поскольку прозвища по внешним признакам были очень распространены.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ин присоединялся к основе, оканчивающейся на -а или согласный (Осмелок → Осмелкин). Это указывает на принадлежность роду человека по имени или прозвищу Осмелок: буквально «сын Осмелка». Фамилия недворянская, скорее всего, крестьянская или мещанская, и её география может быть связана с северными и центральными губерниями России, где слово «осмелок» бытовало в живой речи. В некоторых старых документах встречается вариант Осмелькин — с мягким знаком, что отражает местное произношение.

Интересно, что однокоренные фамилии — Осмелов, Осмельцов — встречаются реже, а Осмелкин, хоть и не является массовой, имеет своих носителей, в том числе в Пермском крае и Кировской области. Это не фамилия-загадка с десятком спорных толкований: её корень прозрачен, и за ним стоит простое, почти плотницкое прозвище, которое легко представить в деревенском быту.