Фамилия Валемутдинов — довольно редкая и сложная по составу. Её основа восходит к мусульманскому имени Валимутдин (встречаются варианты Валиутдин, Валимухаммед), которое образовано от арабских корней «вали» (близкий, святой, покровитель) и «дин» (вера, религия). В целом имя означает «покровитель веры» или «близкий к религии». В тюркской и особенно татарской среде такие имена с компонентом «дин» были распространены в среде духовенства и образованных мусульман.

Модель образования фамилии здесь нетипична для русского языка: суффикс -ов присоединён не напрямую к имени, а к его «русифицированной» форме с вставным гласным. Исходное имя Валимутдин в бытовой речи могло звучать как Валемутдин (с заменой «и» на «е» под влиянием аканья или местного произношения), отсюда и фамилия. Встречаются также варианты Валиутдинов, Валимутдинов — они ближе к арабскому оригиналу, но Валемутдинов показывает, как имя адаптировалось в устной традиции.

Географически фамилия привязана к Волго-Уральскому региону, особенно к Татарстану и Башкортостану, а также к татарским общинам в других регионах России. Носители фамилии — потомки мусульманских священнослужителей или просто людей, носивших имя с религиозным значением. Сословно это могли быть как муллы и имамы, так и крестьяне или торговцы — имя «Валимутдин» не было привилегией знати, но указывало на набожность семьи.

В отличие от более частых татарских фамилий на -ов (например, Ахметов, Ибрагимов), Валемутдинов сохранил трёхсложную основу, что делает его узнаваемым. Исторически написание могло колебаться: в метрических книгах XIX века можно встретить и Валимутдинов, и Валеметдинов — из-за разнобоя в записи арабских имён кириллицей. Современный вариант закрепился, вероятно, в советское время при паспортизации.

Если искать параллели, то однокоренные фамилии — Валиуллин (от «валиулла» — «покровитель Аллаха») и Валиев (от краткого «Вали»). Валемутдинов стоит особняком: он длиннее, реже и точнее передаёт полное имя.