Фамилия Вельбоенко — один из тех случаев, когда украинская фамилия хранит в себе память о старом прозвище, связанном с ремеслом. В основе лежит прозвище Вельбой, которое образовано от двух слов: украинского «вiл» (вол) и «бой». Волом называли кастрированного быка, используемого как рабочее животное и на мясо. Соответственно, волобоями (или, в диалектном произношении, вельбоями) называли мясников, которые резали волов. Так что первый носитель прозвища, скорее всего, занимался именно этим ремеслом — забоем скота.

Фамилия образована по типичной украинской модели с суффиксом -енко, который в данном случае означает «сын Вельбоя» или «потомок Вельбоя». Суффикс -енко исторически был распространён в Поднепровье, на Левобережной Украине и в Слобожанщине, поэтому географические корни фамилии стоит искать именно в этих регионах.

Интересно, что в русских документах встречается близкая фамилия Волобуев. Ономаст С. Б. Веселовский упоминает Волобуевых как помещиков, живших во второй половине XVI века в Орле, а также орлянина Пахома Волобуева (убит под Конотопом в 1659 году). Это говорит о том, что прозвище было известно и в северных землях, но именно украинская форма с суффиксом -енко закрепилась как фамилия Вельбоенко. Со временем прозвище Вельбой, изначально бывшее дополнительным именем, полностью заменило собой первоначальное крестильное имя и перешло в разряд наследственных фамилий.