Фамилия Шелемина — женская форма, мужской вариант — Шелемин. Она образована по самой простой и распространённой в русском языке модели: к основе прозвища или имени добавили суффикс -ин, указывающий на принадлежность («чей?» — «сын Шелемы»). Этот суффикс в северных и центральных русских говорах вытеснял -ов/-ев, если основа оканчивалась на -а или -я.

В основе фамилии лежит прозвище Шелема. Его происхождение спорно, но есть две основные версии. Первая, самая прямая: от диалектного глагола «шелемить» — говорить невнятно, бормотать, или от существительного «шелема» — заика, косноязычный человек. В этом случае прозвище дали человеку с особенностью речи, и фамилия — прямая характеристика предка. Вторая версия связывает Шелему с тюркским словом «шелем» (вид шапки, шлем) или с древнерусским «шелом» (шлем). Тогда прозвище мог получить либо воин, носивший шлем, либо, что вероятнее, ремесленник, который эти шлемы делал.

Важный нюанс: в некоторых говорах «шелема» означало не только заику, но и вообще неряшливого, небрежного человека. Так что круг возможных значений прозвища довольно широк — от ремесла до внешности и характера. Встречается фамилия преимущественно в центральных областях России и на Русском Севере, что подтверждает её исконно русскую, а не заимствованную природу.

Мужская форма Шелемин фиксируется в писцовых книгах XVI–XVII веков, например, в новгородских землях. Это говорит о том, что фамилия достаточно старая и не является поздним искусственным образованием. В отличие, скажем, от фамилий на -ский, которые часто давали дворянам и духовенству, Шелемины — выходцы из крестьянской или посадской среды, где прозвища давали по живым, бытовым признакам.