Фамилия Помелуй — редкий пример фамилии, образованной не от имени или профессии, а от целой глагольной фразы в повелительном наклонении. В основе лежит древнерусское обращение «помилуй» — «сжалься, прояви милость». Такие «глагольные» фамилии (типа Убейкобы, Держиморда, Богослов) нечасты, но показательны: они часто возникали как прозвища, закреплявшие за человеком какую-то характерную черту или жизненный случай.

Слово «помилуй» в старину могло быть не только молитвенным возгласом, но и частью бытового диалога. Прозвище Помелуй могли дать человеку, который часто повторял это слово — например, кающемуся грешнику, нищему, просящему подаяния, или, наоборот, насмешливому попу, который вставлял его в речь. Есть и другая, более прозаичная версия: в некоторых говорах «помилуй» означало «пощади», и прозвище могло закрепиться за тем, кого однажды пощадили в драке или на суде.

Форма «Помелуй» вместо «Помилуй» — не опечатка, а диалектная особенность. В северных и северо-западных говорах (новгородских, псковских, архангельских) звук [и] в безударном положении часто переходил в [е]: «помилуй» произносили как «помелуй». Это же явление встречается в фамилиях Мелентий (от Милентий) или в слове «мезинец» вместо «мизинец». Таким образом, фамилия Помелуй географически привязана к Русскому Северу или Поморью.

Суффикс в фамилии нулевой — она не получила типичных окончаний -ов/-ев или -ин, которые добавлялись к прозвищам при оформлении фамилий у крестьян и мещан. Отсутствие суффикса указывает на то, что фамилия застыла в форме прозвища, возможно, в среде, где фамилии ещё не устоялись или где носитель был известен именно под этим прозвищем без дополнительной русификации. Встречаются также варианты Помелуев, Помелуевский, но они уже вторичны.

С точки зрения социального состава, фамилия Помелуй не принадлежала знати или духовенству. Скорее всего, её носили крестьяне или посадские люди, чьи предки получили прозвище за манеру речи или за случай из жизни. В современных базах данных фамилия встречается единично, преимущественно в Вологодской и Архангельской областях, что подтверждает её северное происхождение.