Фамилия Вельмезова — женская форма мужской фамилии Вельмезов, которая образована от прозвища или неканонического имени Вельмез. В основе лежит древнерусское слово «вельми» — «очень, весьма». С суффиксом -ез-, который встречается в единичных прозвищах (сравните с фамилией Корнез, от «корный» — «толстый»), Вельмез могло означать «очень большой», «великан» или просто «сильный человек». Такие прозвища давали по физическим качествам или по характеру, без привязки к профессии.

Вторая версия, менее вероятная, но допустимая: фамилия может быть связана с тюркским корнем «вель» или «бель» — «знать, быть известным», но тогда она скорее звучала бы как Бельмезов. Фонетическое сходство с «вельми» делает славянскую версию основной.

Модель образования проста: суффикс -ов-/-ев- указывает на принадлежность (чей? — Вельмезов, то есть сын или потомок Вельмеза). В женском варианте добавляется окончание -а. Фамилия редкая, географически привязана к северным и центральным регионам России, где диалектное «вельми» сохранялось дольше. Встречается в основном в Вологодской, Костромской и Кировской областях.

Социальный контекст: фамилия скорее крестьянская, недворянская. Суффикс -ез- нехарактерен для книжных или церковных имён, что подтверждает её простонародное происхождение. Носители фамилии в прошлом могли быть земледельцами или ремесленниками, а прозвище Вельмез закрепилось за родоначальником как постоянное именование. Известных исторических личностей с этой фамилией нет, что типично для редких антропонимов.