Фамилия Валекжанин стоит особняком в русском ономастиконе: она образована не от имени, профессии или внешности, а от топонима — названия места жительства. Суффикс -анин (в форме -жанин после шипящего) здесь указывает на принадлежность к определённой местности. Это так называемый «катойконим» — слово, обозначающее жителя какой-либо территории. В русских фамилиях такая модель встречается редко (сравните: Москвин, Тверитин, Пермяков), но в случае с Валекжаниным она сохранилась почти без изменений.

Основа фамилии — Валекжа (или Валекша, Валекжа). Скорее всего, это название речки, ручья или небольшого поселения. В русской гидронимии нередки названия на -екша/-окша (например, река Колокша, Нерехта), где корень может восходить к финно-угорскому субстрату. «Валекжа» могло означать «белая вода» или «быстрая река» на одном из прибалтийско-финских языков. Вторая, менее вероятная версия — от древнерусского диалектного слова «валёк» (небольшой овраг, ложбина) с последующим наращением суффикса, но тогда форма была бы Валеков или Валечкин.

Географически фамилия привязана к северным и северо-восточным областям России — Вологодчине, Архангельской области, Уралу. Именно там, в зоне бывшего финно-угорского населения, топонимы с подобной структурой особенно часты. Носитель фамилии Валекжанин — потомок человека, которого прозвали «валекжанин», то есть выходец из деревни Валекжа или с берегов реки Валекши. В XVI–XVII веках такие прозвания давали переселенцам, чтобы отличать их от местных: «Иван сын Валекжанин» могло означать «Иван, который пришёл из Валекжи». Со временем прозвище закрепилось как фамилия, передаваемая по наследству.

С точки зрения словообразования, фамилия не получила дополнительного суффикса -ов/-ев, что указывает на её раннее закрепление (XVI–XVII века). В переписных книгах того времени можно встретить запись «Валекжанин» без изменений — как личное прозвище, а позже и как фамилию. Вариант с ударением на последний слог (Валекжа́нин) более логичен для катойконима, хотя в современном бытовании встречаются разночтения.

Редкость фамилии объясняется узкой географией исходного топонима: если речка или деревня Валекжа исчезла с карты (заросла, обезлюдела или переименована), то и число носителей фамилии осталось небольшим. Сегодня Валекжанины встречаются в основном на Урале и в Сибири — туда переселялись крестьяне из северных губерний в XIX веке.