Фамилия Шелеминов образована по одной из самых распространённых в русской ономастике моделей: от прозвища или мирского имени с помощью суффикса -ин и окончания -ов. Ключевой элемент здесь — суффикс -ин, который указывает на принадлежность: Шелеминов буквально означает «сын Шелемина», где Шелемин — это отчество или фамилия в более ранней форме, образованная от прозвища Шелема.

Основа фамилии — слово «шелема». В русских говорах у него несколько значений. В центральных и южных областях «шелемой» называли неопрятного, нерадивого человека, разгильдяя. В северных и сибирских говорах слово могло означать «шлем» или «шелом» — головной убор воина. Однако более вероятно, что в основе лежит глагол «шелевать» (драть кору, лупить) или «шеломить» (бить, колотить). Тогда Шелема — прозвище драчуна, задиры или, наоборот, человека, занимающегося заготовкой лыка или коры. В любом случае, это прозвище из бытовой, а не книжной среды.

Словообразовательная цепочка выглядит так: прозвище Шелема → отчество Шелемин → фамилия Шелеминов. Двойной суффикс (-ин + -ов) встречается реже, чем одинарный, и характерен для фамилий, которые закрепились в письменных документах уже в XIX веке, когда модель на -ов стала доминирующей. То есть Шелеминов — не древняя боярская фамилия, а более поздняя, крестьянская или мещанская.

Географически фамилия привязана к северо-востоку России. По данным переписей, Шелеминовы чаще всего встречались в Вологодской, Архангельской и Костромской губерниях. В этих краях слово «шелема» в значении «шлем» было более употребительно, что косвенно подтверждает северное происхождение фамилии. Никаких известных дворянских родов с этой фамилией не зафиксировано — это фамилия простого сословия, скорее всего, государственных или монастырских крестьян.

В написании фамилии возможна путаница с однокоренными Шелемов, Шелехов, Шелепин. Отличительная черта Шелеминова — именно вставной суффикс -ин-, который делает фамилию более громоздкой и редкой. По сравнению с Шелемовым (от того же корня, но без -ин-) Шелеминов встречается примерно в десять раз реже.