Фамилия Шелемова — женская форма от Шелемов, и её происхождение стоит искать не в громких исторических событиях, а в бытовом прозвище или диалектном слове. Основа фамилии — «шелем» — в русских говорах имела несколько значений, и чтобы понять, какое из них легло в основу, нужно присмотреться к географии и словообразованию.

Самая вероятная версия отсылает к слову «шелом» — старинному названию шлема. В этом случае Шелемов — потомок человека по прозвищу Шелем, то есть воина, мастера по изготовлению доспехов или просто человека с характерной, «шлемообразной» головой. Фамилии от названий частей доспехов (Щитов, Копьёв) встречаются, но не так часто, что делает версию с «шеломом» не самой тривиальной. В пользу неё говорит и то, что фамилия Шелемов фиксируется в старых документах по южнорусским и украинским землям, где форма «шелем» вместо «шлем» была распространена.

Вторая версия, менее героическая, но не менее правдоподобная, связывает фамилию с диалектным глаголом «шелемить» — бить, колотить, а также «говорить вздор, чепуху». Прозвище Шелема могли дать драчуну, забияке или, наоборот, пустомеле. Эта версия объясняет наличие суффикса -ов, который обычно крепится к прозвищам на -а: Шелема → Шелемов. В псковских и тверских говорах слово «шелема» означало ещё и «бестолковый человек», так что круг значений широк.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ов указывает на принадлежность («чей?»). Первоначально Шелемов — сын Шелемы или Шелема. Фамилия недворянская, скорее всего, крестьянская или мещанская, что подтверждается её отсутствием в родословных книгах и концентрацией в центральных областях России. Встречаются варианты написания через «а» — Шалимов, но это уже другая фамилия, от имени Шалим. Шелемов остаётся в узком кругу «шлемовых» и «бестолковых» — выбор за историей конкретного рода.