Фамилия Шепелькаева — редкая и морфологически примечательная. Она образована по модели, характерной для северных и сибирских говоров: суффикс -ев/-ов присоединён к основе, оканчивающейся на -кай. Чаще всего фамилии на -каев/-каева встречаются у тюркских народов (например, Айткаев, Биккаев), но здесь основа — славянская, что указывает на русское происхождение, возможно, с долей диалектного влияния.

В центре фамилии — прозвище Шепелькай. Его корень — «шепель» (или «шепелявый»), то есть человек с нечёткой, шепелявой речью. Суффикс -кай в русских прозвищах выполнял роль уменьшительно-ласкательного или фамильярного окончания, как в словах «браткай», «Ванькай». Таким образом, Шепелькай — это «шепелявый малый» или «тот, кого ласково звали Шепелём». Позже, при оформлении фамилии, к этому прозвищу добавили типичный русский суффикс -ев, указывающий на принадлежность: «чей?» — Шепелькаев.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и поволжским областям, где суффикс -кай в прозвищах встречался чаще. Встречаются единичные носители в Ростовской и Волгоградской областях, а также в Башкортостане — возможно, след переселения крестьян в XIX веке. Социально предки Шепелькаевых, скорее всего, были крестьянами или мещанами: фамилия недворянская, образована от бытового прозвища, а не от имени или топонима.

Сравните с однокоренными фамилиями: Шепелев (от «шепелявый» без уменьшительного суффикса), Шепель (от прозвища без суффикса), Шепельков (от «шепелёк»). Шепелькаева — самая редкая из этого ряда, её уникальность в том, что прозвище сохранило старую уменьшительную форму, которая почти не встречается в других фамилиях.