Фамилия Щемилин образована по модели, характерной для русского Севера и Поволжья: суффикс -ин указывает на принадлежность к отцу или главе семьи. В основе лежит прозвище Щемила, которое в свою очередь происходит от глагола «щеми́ть» — сжимать, давить, зажимать. В русских говорах слово имело несколько значений: от «скупой, жадный человек» (тот, кто «жмётся» при расходах) до «обидчик, притеснитель» (тот, кто «щеми́т» других). Не исключён и профессиональный оттенок: в ремесленной среде щемилой могли называть мастера, работающего с зажимным инструментом — например, столяра, использующего струбцину, или слесаря, работающего с тисками.

Если обратиться к исторической ономастике, то прозвище Щемила фиксируется в документах XV–XVII веков, причём чаще всего в северных и центральных уездах. Так, в «Ономастиконе» С. Б. Веселовского упоминается Щемила Иванов, крестьянин (1495 год, Новгород). Сама фамилия Щемилин — относительно редкая, её ареал тяготеет к бывшим Новгородским и Вятским землям, что подтверждает гипотезу о северном происхождении.

Стоит различать Щемилина и однокоренные фамилии: Щемелёв (от «щеме́ль» — насекомое, шмель), Щемеров (от диалектного «щемер» — хитрец). Щемилин же напрямую связан с действием или качеством, а не с животным миром. В современном звучании фамилия утратила негативный оттенок — носитель может считать её просто родовым именем, не задумываясь о прозвищном прошлом предка.