Фамилия Серомская — женская форма мужской фамилии Серомский. В основе лежит топоним: название населённого пункта вроде Серомское, Сером или Серомово. Такие фамилии на -ский/-цкий традиционно давали дворянам по названию родового имения или переселенцам по месту, откуда они приехали. В отличие от массовых крестьянских фамилий на -ов/-ев, -ин, модель на -ский указывает на вероятное происхождение из шляхетской или служилой среды, хотя в XIX веке её могли искусственно давать и выходцам из духовенства при поступлении в семинарию.

Корень «сером-» затемнён. Самое прямое объяснение — от слова «серый»: серый цвет волос, одежды или масти животного. В старых говорах «сером» могло означать «серое сукно» или «сермяга» — грубая крестьянская ткань. Если фамилия ведётся от прозвища Сером, то её носитель мог быть либо седоголовым, либо ходить в серой одежде, либо заниматься выделкой сермяги. Менее вероятна связь с диалектным «серомый» — «некрасивый, невзрачный»: такое прозвище было бы слишком оскорбительным для фамилии, хотя в истории подобные случаи встречаются.

Географически фамилия редкая. Основной ареал — западные регионы России и Беларусь, где топонимы с корнем «сер-» встречаются чаще. В польском языке есть фамилия Siromski, созвучная и, возможно, родственная. Если предки Серомских были выходцами из Речи Посполитой, фамилия могла возникнуть от названия села Серомяны или Серомин.

Спорный момент — ударение. В русском языке фамилии на -ский обычно имеют ударение на предпоследнем слоге: Серо́мская. Но если основа — польский топоним, ударение могло сместиться на второй слог: Серо́мска. Современные носители чаще произносят по-русски, хотя без живого опроса точного ответа нет.