Фамилия Вельмезьева — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не профессия, а, скорее всего, географическое прозвище или искажённое заимствование. Разбирать её стоит не с корня, а с суффикса: окончание -ев указывает на принадлежность (чей? — Вельмезьев), а значит, фамилия образована от прозвища или имени Вельмезь. Сама основа «Вельмезь» не встречается в древнерусских святцах и не является каноническим крестильным именем.

Самая правдоподобная версия связывает фамилию с топонимом. В русском языке есть ряд названий, начинающихся на «Вель-»: река Вель, город Вельск, озеро Велье. В диалектах «вель» могло означать «влажное место», «болотистую низину» или, по другим данным, «большой» (от финно-угорского корня). Человек, пришедший из местности с таким названием, мог получить прозвище Вельмезь — то есть «выходец с Велья» или «живущий у болота». Приставка «мезь» может быть остатком древнего слова, либо диалектным искажением (сравните с фамилией Вельмизев, где корень тот же).

Менее вероятная, но любопытная версия — связь с тюркским словом «бильмез» (не знающий). В русских говорах это могло трансформироваться в «вельмезь» как прозвище неуча или чужака. Однако для фамилии, оканчивающейся на -ев, такая основа нетипична: тюркские прозвища обычно давали без суффикса принадлежности (как Булгак, Соболь), а здесь явно славянская модель образования.

Географически фамилия Вельмезьева встречается точечно, преимущественно в центральных и северных регионах России — там, где сохранилась память о старых гидронимах. В дореволюционных переписях она не была массовой, что говорит о её локальном происхождении: скорее всего, один род дал начало всем носителям.

Таким образом, Вельмезьевы — потомки человека, которого прозвали по месту жительства или по характерной черте, связанной с водой и низиной. Фамилия стоит в ряду таких же «ландшафтных» русских фамилий, как Озеров, Болотов, Луговой, но с более тёмной и диалектной основой.