Фамилия Вельмезов — редкая и этимологически неочевидная. Её основа — «Вельмез» — не встречается в современных русских именах или нарицательных словах, поэтому ключ к разгадке лежит в диалектной и исторической лексике.

Скорее всего, в основе фамилии лежит прозвище Вельмез, образованное от глагола «вельми» — очень, весьма (древнерусское и церковнославянское слово). «Вельмез» мог означать «весьма много», «чрезвычайно», и такое прозвище давали человеку с заметной чертой — например, очень высокому, громогласному или неуёмному в делах. Суффикс -ез- в русских прозвищах редок, но встречается (сравните «вертез» — вертлявый, «верзея» — врун). Таким образом, Вельмез — это тот, кто «вельми» в чём-то проявился.

Вторая версия связывает фамилию с тюркскими корнями. В татарском и башкирском языках есть слово «билмәз» (белмәҙ) — «незнающий», «несведущий». В русской записи оно могло превратиться в Вельмез. Прозвище такого рода часто давали в шутку или с иронией человеку, который прикидывался непонимающим, или же пришлому, не знающему местных порядков. Эта версия правдоподобна для южных и восточных регионов России, где было активно тюрко-славянское пограничье.

Фамилия образована по стандартной патронимической модели: суффикс -ов присоединился к прозвищу отца, означая «сын Вельмеза» или «из рода Вельмеза». Географически фамилия встречается в основном в Поволжье и на Урале, что косвенно подтверждает обе версии — и древнерусскую (диалекты этих мест сохраняли слово «вельми»), и тюркскую (соседство с татарами и башкирами).

В дореволюционных источниках фамилия не была распространена и не относилась к дворянским родам. Скорее всего, её носители — крестьяне или мещане, получившие фамилию при переписях XVIII–XIX веков. Сегодня Вельмезовы — немногочисленная, но живая фамилия, сохранившая в себе загадку старого прозвища.