Фамилия Помелуйко — яркий пример украинской модели фамилий, которые заканчиваются на -ко. По частотности и типичности это такой же маркер украинского происхождения, как русские фамилии на -ов или польские на -ский. Суффикс -к- в украинской ономастике выполнял роль уменьшительности или принадлежности, а окончание -о закрепилось в результате исторической адаптации: в украинском языке многие существительные и прозвища мужского рода в именительном падеже имеют окончание -о (например, Дорошенко, Шевченко, Сковорода). Формант -уй- в основе — это глагольный суффикс, который указывает на действие.

Основа «Помел-» восходит к глаголу «помело» или «помелю» — формам, связанным с процессом молотьбы или помола зерна. В украинском языке «помело» означает «метла», но в контексте фамилии более вероятна связь именно с помолом: «помелю» — «я мелю». Прозвище Помелуйко могли дать человеку, который работал на мельнице, занимался размолом зерна или просто имел отношение к мельничному делу. Вторая версия, менее распространённая, выводит фамилию от слова «помело» — тогда прозвище могло относиться к человеку с пышными волосами или к тому, кто «подметал», то есть выполнял чёрную работу. Однако с лингвистической точки зрения версия с помолом выглядит убедительнее: глагольная основа «мел-» в украинском даёт множество производных фамилий (Мельник, Мельниченко, Мелёха), и Помелуйко встраивается в этот ряд как обозначение действия в процессе.

Фамилия практически не встречается за пределами Украины и украинской диаспоры. Наибольшая концентрация носителей — в центральных и западных областях: Винницкая, Хмельницкая, Житомирская, а также в Полтавской. В России фамилия редкая и, скорее всего, попала туда в ходе миграций XIX—XX веков. В документах XVIII—XIX веков форма могла писаться как Помелуйко, Помелюйко или Помелуйка — вариативность окончаний типична для украинских фамилий при переходе в русскую канцелярию.

Интересная деталь: фамилия Помелуйко — одна из тех, что сохранили живую глагольную форму в основе. В отличие от фамилий-профессий (Мельник, Кузнец), где названо лицо по роду занятий, здесь зафиксирован сам процесс: «тот, кто мелет». Это редкий случай, когда фамилия буквально «цитирует» действие, а не называет должность.

Сословно носители фамилии, скорее всего, относились к крестьянству или казачеству — мельничное дело в Украине было распространено среди свободных сельских жителей, а не только среди помещичьих крестьян. В ревизских сказках XIX века Помелуйко встречаются как государственные крестьяне и казаки Черниговской и Полтавской губерний.