Фамилия Шелемеха — редкий случай, когда прозвище застыло в исходной, почти неизменной форме, минуя типичные суффиксы -ов, -ев или -ин. Она представляет собой «прозвищную» фамилию, то есть образована напрямую от личного прозвища Шелемеха без дополнительного оформления. Такая модель характерна для украинских, белорусских и южнорусских земель, где фамилии на -а, -о, -у нередки. В северных и центральных областях России от того же корня скорее появились бы Шелемеховы или Шелемехины.

Основа прозвища — глагол «шеломить» или «шелемить», связанный с понятием «шелом» (шлем). В древнерусском языке «шеломя» означало холм, бугор, возвышенность, а также удар, натиск. Соответственно, Шелемехой могли назвать человека с выпуклым, «шлемовидным» лбом или крупной головой. Более прозаичная версия — прозвище дали задире, драчуну, который «шеломил» (бил, колотил) других. В говорах встречается и слово «шелемеха» как обозначение неопрятного, взлохмаченного человека — от «шеломок» (клок волос, торчащий как шлем).

С точки зрения географии, фамилия тяготеет к западу и югу России. Её фиксируют в старых переписях Смоленской, Брянской областей, а также на Украине. Встречаются варианты написания — Шелемеха и Шелемяха, что связано с местным произношением («яканьем»). Социально носители фамилии в XVIII–XIX веках чаще всего были государственными крестьянами или однодворцами — потомками служилых людей, охранявших южные рубежи. Фамилия не знатная, но с характерным «боевым» оттенком, что вполне укладывается в историю пограничных регионов.