Фамилия Вельмесева — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Её основа, скорее всего, не тюркская и не западноевропейская, а исконно русская, но сильно изменённая диалектным произношением. Чтобы понять корень, нужно отбросить суффикс -ев- (указывающий на принадлежность: «чей?» — Вельмесев) и посмотреть на часть «Вельмес». Самое правдоподобное объяснение: это вариант фамилии Вельмисов или Вельмищев, образованной от неканонического имени или прозвища Вельмис.

В древнерусском языке слово «вельми» означало «очень», «весьма». От него легко могли образовать прозвище Вельмис — «большой», «сильный», «великий». Человек с таким прозвищем мог выделяться ростом, физической силой или влиятельностью. Фонетический переход «и» в «е» («Вельмис» → «Вельмес») типичен для северных и вологодских говоров, где безударные гласные редуцируются и смешиваются. Таким образом, Вельмесева — это «дочь (или жена) Вельмеса», то есть потомок человека по прозвищу Вельмес.

Менее вероятная, но допустимая версия связывает фамилию с тюркским корнем «вельмес» (нечто вроде «знающий» или «учёный»). Однако для фамилий на -ев/-ов тюркская основа — редкость, обычно в таких случаях появляется суффикс -ин (например, Ахметов — от Ахмет, а не от «ахмет»). Поэтому версия с «вельми» выглядит убедительнее и лучше объясняет славянскую модель словообразования.

Суффикс -ев, а не -ов, указывает на то, что основа фамилии оканчивалась на мягкий согласный или шипящий (Вельмес). Такие фамилии чаще всего встречались в крестьянской среде центральной России и Поволжья, где прозвища давались по внешним или поведенческим признакам. Сословная принадлежность — почти наверняка крестьяне или посадские люди; дворянских родов с такой фамилией в исторических источниках не зафиксировано.

Географически фамилия Вельмесева сегодня крайне редка, её носители встречаются в основном в Нижегородской и Кировской областях, что косвенно подтверждает связь с северными говорами. Если искать однокоренные фамилии, то ближе всего стоят Вельмисов, Вельмищев и, возможно, Вельминов — все они ведут происхождение от того же древнерусского наречия «вельми».