Фамилия Вельмесова — редкий случай, когда в основе могут лежать сразу несколько языковых традиций, и ни одну из них нельзя сбрасывать со счетов. Самое простое объяснение: её образовали от имени Вельмес, которое, скорее всего, является фонетическим вариантом мордовского имени Вельмис. В переводе с мордовского это слово означает «доля» или «часть» — имя могло символизировать судьбу, надел или счастье, выпавшее человеку.

Но есть и другая, финно-угорская версия. Имя Вельмис (а значит, и Вельмес) иногда связывают с коми глаголом «вельмыны» — «распускаться». В этом случае имя могли дать ребёнку, родившемуся весной, в пору цветения и пробуждения природы. Такие «календарные» имена по природным явлениям встречаются в коми-зырянской традиции.

Третья версия ведёт нас к русским диалектам. «Вельма» в некоторых говорах означала «ведьма». Если имя Вельмес произошло от этого корня, то перед нами типичный случай охранительного имени. Славяне верили, что ведьма — существо могущественное: она могла управлять погодой (наслать град или ураган), похищать небесные светила, заниматься приворотами и отворотами. Назвав сына Вельмесом, родители как бы «обманывали» злых духов: мол, этот ребёнок уже под защитой тёмной силы, не троньте его. Такая практика давать детям «страшные» имена-обереги широко известна у восточных и западных славян.

Какую из трёх версий выбрать — вопрос ареала. Если корни семьи ведут в Мордовию или Коми, вероятнее первая или вторая. Если фамилия встречается в русских областях, особенно в северных или центральных губерниях, где были сильны диалектные слова, — версия с «ведьмой» становится правдоподобнее. Сама фамилия построена по стандартной русской модели: к основе Вельмес прибавили патронимический суффикс -ов, а окончание -а указывает на женскую линию или принадлежность к роду. Изначально Вельмесов — это «сын Вельмеса», а Вельмесова — «дочь» или «жена» Вельмесова.