Фамилия Шемелевский — классический пример «географической» модели на -ский. Такие фамилии в старину обычно получали дворяне по названию своего поместья или выходцы из духовенства — по названию села или церковного прихода. В основе фамилии лежит топоним Шемелево или Шемелевка. Таких деревень в России несколько, преимущественно в центральных и северо-западных областях. Например, деревня Шемелево есть в Тверской области и в бывшем Новгородском уезде. Если предок носил фамилию Шемелевский, с высокой вероятностью он происходил из священнической семьи или мелкопоместных дворян, владевших землей в одном из таких мест.

Корень фамилии — «Шемелев» — отсылает к прозвищу или неканоническому имени Шемель. В русских говорах «шемель» (или «шемела») — это шмель, насекомое. Прозвище Шемель могли дать человеку за внешность (например, за густую бороду или полноту, напоминающую мохнатого шмеля) или за характер — назойливому, ворчливому, «жужжащему» человеку. Встречается и другая версия: Шемель — это искажённое тюркское имя или прозвище, от слова «шем» (свеча, светильник). Но для центра России версия со шмелём выглядит естественнее: диалектное слово «шемела» (шмель) хорошо зафиксировано в новгородских и тверских говорах.

Модель образования проста: от прозвища Шемель образовалась фамилия Шемелев (чей? — сын Шемеля), а от неё, по названию деревни Шемелево, — Шемелевский. То есть фамилия вторична по отношению к более ранней «простой» фамилии Шемелев. Такая двойная ступень характерна для фамилий дворянских и семинарских: сначала появлялся владелец Шемель, его потомки становились Шемелевыми, а те, кто владел землёй в Шемелеве или служил в тамошней церкви, — Шемелевскими.

Написание фамилии устойчивое, с суффиксом -евск-, без вариантов на -овск- (Шемеловский), что дополнительно указывает на происхождение от имени Шемель, а не от слова «шум» или «шема». Встречаемость фамилии крайне низкая, что говорит о локальном, «гнездовом» происхождении: скорее всего, все носители — потомки одной семьи из одного села. Сословная принадлежность, скорее всего, духовная или дворянская, но без громких титулов: такие фамилии на -ский редко давали крестьянам, а если и давали — то в семинариях, при поступлении в училище.