Фамилия Вельмаков — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, почти наверняка связано не с внешностью или характером, а с ремеслом или конкретным действием. В центре разбора — слово «вельмак». В русских говорах, особенно в южных и западных областях, «вельмак» означало «большой, рослый человек», но гораздо чаще так называли того, кто «вельми» — то есть «очень, сильно» — делал что-то. В конкретном значении «вельмак» — это человек, который вельмует, то есть валяет шерсть, сбивает войлок. Прозвище могли дать валяльщику, шерстобиту или просто сильному, крупному работнику.

Модель образования прозрачна: суффикс -ак (как в «рыбак», «гуляка») превращал глагольную или качественную основу в название лица по действию или свойству. Затем к прозвищу Вельмак прибавился стандартный русский патронимический суффикс -ов, указавший на принадлежность: «сын Вельмака». Так из прозвища родилась фамилия.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским землям, где слово «вельми» (очень) и производные от него были в ходу. Встречается также написание Вельмаков с мягким знаком (Вельмяков), что отражает местное произношение. Сравните с фамилиями Вельмисов (от «вельми» + «сить» — очень сытый) или Вельмакин — все они редкие и указывают на диалектную основу.

Версия о происхождении от имени Вельма (гипотетическая форма от Владимир или Вельямин) менее вероятна: в документах такое имя не фиксируется, а прозвищная природа слова «вельмак» подтверждается живыми говорами. Таким образом, предок Вельмаковых скорее всего был либо валяльщиком шерсти, либо человеком, которого в округе выделяли как «вельми сильного» или «вельми большого» — по самому яркому качеству.