Фамилия Шелемехова — женская форма мужской фамилии Шелемехов. Её основа — прозвище или неканоническое имя Шелемех. В русской ономастике такие образования с суффиксом -ех- (как в фамилиях Шелемехов, Карасев, Петелин) нередко указывают на прозвище, данное по характерной черте внешности, поведения или по профессии. В данном случае корень «шелом» — древнерусское слово, означающее «шлем». Отсюда прямой смысл: Шелемех — человек, который носит шлем, либо тот, кто его делает, либо же просто обладатель головы, напоминающей по форме шлем.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий XVI–XVII веков: к основе (Шелемех) добавлялся суффикс принадлежности -ов/-ев, указывающий на родство: «чей?» — Шелемехов, то есть сын или потомок Шелемеха. Суффикс -ех- встречается реже, чем -к- или -ш-, что делает фамилию заметной на фоне более распространённых Шелемовых или Шелеминых. В словарях русских фамилий, например, у Б. Унбегауна, такие формы рассматриваются как результат народной этимологии или диалектного произношения.

Географически фамилия Шелемехов (и Шелемехова) встречается преимущественно в центральных и южных регионах России, а также на Украине. В переписных книгах XVII века можно найти упоминания о крестьянах и посадских людях с этим прозвищем, что говорит о её народном, недворянском происхождении. В отличие от фамилий, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров), Шелемехова — прозвищная, и её носители, скорее всего, были ремесленниками, воинами или просто людьми, получившими меткое уличное имя.

Есть и альтернативная версия: связь с тюркским корнем, где «шелеме» может означать «крикливый» или «болтливый». Однако она менее убедительна, так как фонетика и семантика «шлема» в русском контексте более прозрачна и подтверждается параллельными фамилиями (Шеломов, Шеломенцев). Таким образом, предки Шелемеховой — скорее всего, ремесленники, делавшие шлемы, или же просто люди с характерной «шлемообразной» головой, что в деревенской среде было обычным поводом для прозвища.