Фамилия Велиголенко — один из тех редких случаев, когда прозвище, лёгшее в основу, почти не требует расшифровки. Первая часть — «вели-» — восходит к древнерусскому «велий», то есть «большой, великий». Вторая — «-голенко» — производное от «голень» (часть ноги). Перед нами человек с большими, длинными, возможно, необычайно сильными голенями. Такое прозвище могли дать либо высокому и долговязому парню, либо отличному бегуну или пловцу, у которого ноги были главным «инструментом».

Суффикс «-енко» — типичный украинский патронимический формант, указывающий на происхождение от отца по прозвищу. Выходит, что первым носителем фамилии был сын человека по прозвищу Велиголен. Модель образования здесь та же, что у фамилий Кривошеенко, Сухоногенко или Долгорукенко, но с той разницей, что «вели-» — архаичная, книжная или диалектная форма, а не просто «большой». Это придаёт фамилии оттенок былинной старины.

Географически фамилия тяготеет к левобережной Украине и югу России. В документах XVIII–XIX веков Велиголенки встречаются в реестрах казаков Черниговщины и Полтавщины, что косвенно подтверждает версию о прозвище, данном за физическую стать — качество, ценившееся в военной среде.

Есть и менее очевидная версия, которую иногда выдвигают: связь с польским «wielki» (великий) и «golen» (голень) — как калька с западнославянского прозвища. Однако для украинской антропонимии типичнее именно славянское сложение двух корней без заимствований. Поэтому версия с «велий» остаётся основной.

Среди носителей фамилии нет широко известных исторических деятелей, и это нормально: Велиголенко — фамилия, которую носили в основном крестьяне и казаки. Она не перешла в дворянский род и не попала в табель о рангах, но сохранила память о предке, который выделялся среди односельчан статью или быстротой.