Фамилия Помеляйко ведет начало от прозвища Помеляй, и в ней отчетливо слышен отголосок украинского глагола «помолоти», то есть «перемолоть». Логичнее всего предположить, что такое прозвище закрепилось за мельником — человеком, чья работа была неразрывно связана с помолом зерна. Однако здесь есть тонкость: прозвище могло относиться не только к владельцу мельницы, но и к бойкому, говорливому человеку, которого в народе иронично сравнивали с работающей мельницей за его манеру «молоть языком». Впрочем, для фамилии Помеляйко первая версия выглядит убедительнее: профессиональные прозвища на Украине часто становились основой для фамилий.

Суффикс «-ко» в конце фамилии — типичный украинский патронимический маркер, указывающий на «сына» или «потомка» человека по прозвищу. То есть Помеляйко буквально означает «сын Помеляя». Такая модель образования фамилий была широко распространена на Левобережной Украине, в частности в Полтавской и Черниговской губерниях, где подобные формы встречались особенно часто. Само прозвище Помеляй, изначально присоединенное к наследственному имени, со временем полностью заменило его как в повседневной жизни, так и в официальных документах — обычная история для казацкой среды, где личное прозвище нередко становилось единственным идентификатором человека.

Интересно, что фамилия сохранила ударение на корне — Помеляйко, а не на суффиксе, что выдает ее разговорное, а не книжное происхождение. В письменных источниках встречаются варианты написания через «і» — Поміляйко, что отражает местные диалектные особенности произношения. Родственными по корню можно считать фамилии Помеляй, Мельник, Мельниченко, но Помеляйко стоит особняком: она не просто называет профессию, а фиксирует конкретное прозвище конкретного человека, за которым закрепилась репутация мастера своего дела.