Фамилия Валемеев — одна из тех, где на первый взгляд ясна основа, но при ближайшем рассмотрении открывается несколько возможных корней. В её центре — имя или прозвище Валемей, которое могло возникнуть двумя разными путями.

Первый, наиболее вероятный вариант: Валемей — это диалектная или фонетическая форма крестильного имени Валентин (от лат. valens — «сильный, здоровый»). В русских говорах, особенно на севере и в Поволжье, имена нередко «укорачивались» и меняли окончания: Валентин превращался в Валю, потом в Валюшу, а мог и в Валюмея или Валемея. Суффикс -ей здесь типичен для народных форм имён (ср. Тимофей — Тимоха, но и Тимоша; однако -ей встречается у таких вариантов, как Афоня — Афоней). Фамилия образована по стандартной русской модели: к основе Валемей добавили патронимический суффикс -ев (чей? — Валемеев сын).

Вторая версия, менее распространённая, но имеющая право на существование, отсылает к тюркским корням. В татарском и башкирском языках есть слово «вәли» (арабского происхождения) — «святой, угодник, покровитель». К нему мог присоединиться аффикс -мей, образующий ласкательные или уменьшительные имена. В таком случае Валемей — это «маленький святой» или «святой человек», а фамилия указывала бы на тюркское происхождение рода. Однако в пользу этой версии говорит то, что фамилия Валемеев действительно встречается в Татарстане и Башкортостане, но её распространённость там невысока. Славянский вариант (от Валентина) географически шире: носители фамилии есть и в центральной России, и на Урале.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ев указывает на принадлежность («чей сын?»). Это типичная русская фамилия, которая могла появиться у крестьянина или мещанина, чьего отца звали Валемеем. В документах XVII–XVIII веков такая форма имени не фиксируется, что говорит о её позднем, скорее всего, «уличном» происхождении — прозвище или домашнее имя, которое потом закрепилось в официальных бумагах.

Если выбирать между версиями, первая (от Валентина) кажется более естественной для русского ономастикона. Тюркская гипотеза интересна, но требует дополнительных доказательств: например, существования параллельных фамилий Валиев, Валиуллин, где корень «вәли» очевиден. Валемеев же стоит особняком — его основа не типична для тюркского именослова, зато легко вписывается в ряд русских уменьшительных форм.