Фамилия Вельмисеева — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не профессия, а наречие. Первое, что бросается в глаза, — корень «вельми», который в древнерусском языке означал «очень», «весьма», «в высшей степени». Это не просто украшение: от «вельми» образовано прилагательное «вельмисый» — то есть «большой», «сильный», «могучий». Прозвище Вельмисый могли дать человеку крупного телосложения, обладателю громкого голоса или, напротив, тому, кто отличался чрезмерностью в поступках — например, был неуемным в гневе или щедрости.

Модель образования фамилии — суффикс -ев-, присоединенный к основе «Вельмис». Это типичный патронимический суффикс, указывающий на принадлежность: «чей?» — Вельмисеев, то есть сын или потомок Вельмиса. Окончание -а в женском варианте фамилии (Вельмисеева) — грамматическая форма, закрепившаяся в русской традиции для женщин.

География фамилии узкая. По данным переписей и архивных записей, основное гнездо Вельмисеевых — Рязанская область и соседние районы Центральной России. Встречаемость крайне низкая: фамилия не входит даже в первую тысячу самых распространенных русских фамилий. Это указывает на то, что родоначальник, скорее всего, был крестьянином или однодворцем, а не дворянином — в боярских и княжеских родах такие прозвища не фиксируются.

Любопытно, что фамилия избежала народной переделки в более привычные формы. Например, от того же корня «вельми» могли образоваться фамилии Вельмисов, Вельмищев или Вельминов, но Вельмисеева сохранила архаичный суффикс -ис-, который в живой речи почти не встречается. Это делает её ценной для историков языка: она консервирует древнерусское словообразовательное гнездо, почти исчезнувшее из современного русского языка.