Фамилия Велиженцев образована по редкой для русских фамилий модели: суффикс -ев присоединён не к основе прозвища, а к уже готовой фамилии на -ин. Исходная форма — Велижин, а Велиженцев — это её вариант, возникший в результате патронимического переосмысления: предка могли записать как «Велижен сын», то есть «сын Велижина». Такая двойная суффиксация встречается нечасто и указывает на то, что фамилия складывалась в условиях, где обычная форма на -ин уже была занята или казалась недостаточно точной.

Основа фамилии — прозвище Велижа (Велижа) или имя Велижа. В северных и центральных русских говорах «велить» означало «говорить, приказывать», отсюда Велижа — человек с властным голосом, склонный распоряжаться. Возможна и топонимическая версия: прозвище могли дать выходцу из города Велиж (ныне Смоленская область) или из села с похожим названием. Велиж — древний город, упоминаемый с XIV века, и его жителей в старину называли велижанами.

Словообразовательная цепочка проста: прозвище Велижа → притяжательное прилагательное Велижин (чей? — Велижин сын) → фамилия Велижин → форма родительного падежа «Велижен» (от кого? — от Велижина) → суффикс -цев, образующий фамилию по модели «чей сын» → Велиженцев. В итоге фамилия буквально означает «потомок того, кто был сыном Велижи».

Встречается фамилия в основном в центральных и северных регионах России, особенно в Вологодской и Архангельской областях, что косвенно подтверждает диалектное происхождение прозвища. Сословной привязки нет: Велиженцевы могли быть и крестьянами, и мещанами, и духовенством, так как модель образования не указывает на элитарность.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Велижанин, Велижанцев, Велиженский — показывает, что все они отталкиваются от одного корня, но расходятся в суффиксах, отражая разные пути адаптации прозвища в документах. Велиженцев — один из самых редких вариантов, что делает его особенно ценным для генеалогического поиска: носителей этой фамилии не так много, и они, скорее всего, связаны общим предком из одного региона.