Фамилия Штремлев — редкий для России случай, когда фамилия образована не от славянского корня, а от немецкой или скандинавской фамилии Штрем (Strem, Ström). Суффикс -ев указывает на типичную русскую модель патронимической фамилии: «чей?» — Штремлев, то есть потомок или человек из рода Штрем. По сути, это русифицированная версия исходной фамилии, которую предок-носитель принёс с собой, а его дети и внуки уже получили русское окончание.

Сама основа Штрем восходит к немецкому слову «Strom» (поток, течение) или к скандинавскому «ström» (то же значение). Вряд ли прозвище давали за характер — скорее, это топонимическая фамилия: предок жил у реки, на быстрине, или происходил из местности с названием вроде Штрем (например, деревни в Германии или Швеции). В немецком языке есть и фамилия Stremel (уменьшительная форма), но в русском варианте она дала бы Штремелев, а не Штремлев, так что версия с «потоком» надёжнее.

Географически фамилия Штремлев почти наверняка связана с Поволжьем или Петербургом — регионами, куда в XVIII–XIX веках приглашали немецких колонистов и специалистов. Немцы-лютеране, осевшие в России, нередко получали русские патронимические фамилии через суффиксы -ов/-ев. Дворянских родов с такой фамилией в «Бархатной книге» и списках столбового дворянства нет: Штремлевы — скорее всего, выходцы из мещан или обрусевших иностранцев, которые к началу XX века полностью ассимилировались.

С точки зрения словообразования любопытно, что фамилия сохранила исходный корень без изменений — не стала Штремов или Штрёмов. Это говорит о том, что носители дорожили памятью о происхождении и не адаптировали звучание под русскую фонетику. Встречается и вариант Штремлёв с ударением на последний слог — возможное влияние южнорусских говоров или просто описка в документах.

Однокоренных фамилий в России практически нет: Штрем, Штремель, Штремлер — единичные случаи, и все они той же немецкой природы. Так что Штремлев — яркий пример того, как иноязычное имя превратилось в русскую фамилию, не потеряв своей «чужой» основы, но вписавшись в привычную форму.