Фамилия Шелементьева — женская форма, а мужская, Шелементьев, образована от прозвища или мирского имени. В её основе лежит редкое слово «шелемень» — так в русских говорах называли нерасторопного, вялого человека, разиню. В словаре Владимира Даля зафиксирован глагол «шелеменить» — делать что-то медленно, копаться. Прозвище Шелемень мог получить человек флегматичный, неспешный, а фамилия закрепила эту характеристику за его потомками.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Шелементьев буквально значит «сын Шелементя». Форма на -я (Шелемень → Шелементий) возникла под влиянием церковных имён вроде Артемий или Евсевий — так прозвище «облагородили», придав ему вид полного имени. Встречается и вариант Шелементьев с буквой «о» в первом слоге — это диалектное «оканье», свойственное северным и среднерусским говорам.

Фамилия редкая и сосредоточена преимущественно в центральных областях России — Тверской, Ярославской, Костромской. В переписных книгах XVII–XVIII веков крестьяне с таким прозванием фиксировались в вотчинах на Волге. Социально это однозначно крестьянская или посадская фамилия: в дворянских родословных книгах Шелементьевы не значатся. Ударение во всех формах падает на второй слог: Шелеме́нтьев.

Однокоренные фамилии — Шелемин, Шелемов, Шелеметьев — образованы от тех же диалектных корней, но с разными суффиксами. Сравнение показывает, что Шелементьев — одна из самых архаичных форм, сохранившая редкое окончание -ентий, что делает её ценной для историков языка.