Фамилия Шелеменцев — редкий случай, когда прозвище предка, скорее всего, связано не с профессией или внешностью, а с диалектным глаголом. В основе лежит слово «шелемень» или «шелеменька» — в южнорусских и западных говорах так называли нерасторопного, вялого человека, разиню. Фамилию дали не «за дело», а за манеру поведения: предок мог получить прозвище Шелемень за медлительность или рассеянность.

Суффикс -ев- указывает на принадлежность: Шелеменцев — буквально «сын Шелеменца». Модель образования типична для русских фамилий: сначала от прозвища Шелемень образовалась краткая форма Шелеменец (человек, носящий это прозвище), а затем от неё — притяжательное прилагательное с суффиксом -ев. Финальное -ц- в основе — уменьшительный или уничижительный суффикс, который в прозвищах часто смягчал характеристику: не просто «вялый», а «такой себе вяленький».

В отличие от фамилий на -ов/-ин, которые образуются напрямую от имени или прозвища (Иван — Иванов), Шелеменцев прошёл через дополнительную ступень. Это редкая, но не уникальная модель: аналогично построены, например, фамилии Жиленцев (от жила — скупой) или Косенцев (от косой). Такие фамилии чаще встречались в среде крестьян и посадских людей, где прозвища были живыми и конкретными.

Географически фамилия тяготеет к югу России — Курской, Воронежской, Ростовской областям. В этих краях слово «шелемень» фиксируется в диалектных словарях. В центральных и северных губерниях корень мог быть непонятен, поэтому фамилия осталась локальной. Писали её устойчиво — через «е» в первом слоге, хотя в говорах могло произноситься и «шаламень»; вариант Шеломенцев (от «шелом» — шлем) — это уже другая, омонимичная фамилия с иным значением.