Фамилия Вельмисеев — редкий пример того, как за привычной суффиксальной моделью (-ов) скрывается неочевидная и спорная основа. В отличие от большинства русских фамилий на -ев, которые происходят от христианских или прозвищных имён, здесь перед нами имя Вельмисей, которое само по себе требует расшифровки.

Первая и наиболее популярная версия связывает Вельмисея с диалектным «вельма» — ведьма. Имя могли дать с охранительной целью: родители надеялись, что злые силы не тронут ребёнка, названного в честь столь могущественного мифологического персонажа. У восточных славян ведьме приписывали власть над стихиями и способность влиять на людские судьбы, поэтому имя-оберег должно было отпугнуть настоящую нечисть. Аффикс -сей в этом случае появился по аналогии с каноническим именем Елисей, что делало необычное имя более привычным для слуха.

Вторая гипотеза отталкивается от другой основы: «вельми» (весьма, очень) и глагола «сеять». Тогда Вельмисей — не мирское имя, а прозвище, которое мог получить усердный земледелец, «очень много сеющий». Эта версия проще и не требует обращения к мифологии, но уступает первой в распространённости среди ономастов: прозвища с корнем «вельм-» в значении «очень» в русской антропонимии встречаются редко.

Словообразовательная модель фамилии стандартна: суффикс -ев указывает на принадлежность («чей?»), то есть Вельмисеевы — это потомки человека по имени или прозвищу Вельмисей. Фамилия недвусмысленно русская, но её география остаётся неясной: в доступных источниках она не привязана к конкретному региону или сословию. Можно предположить, что она бытовала в среде крестьян или посадских людей, где охранительные имена были особенно живучи, но документальных подтверждений этому нет.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Вельмисов, Вельмисев) показывает, что форма Вельмисеев закрепилась как наиболее полная, с сохранением исходной гласной основы. Это нечастый случай, когда прозвищное или мирское имя не редуцировалось при образовании фамилии, а осталось в почти неизменном виде.