Фамилия Вельмисев — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Её основа «Вельмис» не встречается ни в святцах, ни в распространённых славянских именах, поэтому искать корень стоит в прозвище, а не в крестильном имени.

Наиболее вероятная версия связывает фамилию с наречием «вельми» — «очень, весьма, сильно». В древнерусском языке это слово было широко употребительно (в летописях, в «Слове о полку Игореве»). От него могли образовать прозвище Вельмис: так могли назвать человека с ярко выраженной чертой — очень сильного, очень быстрого или, напротив, очень медлительного. Суффикс -ис в прозвищах встречается, хотя и нечаст: он мог придавать слову оттенок единичности или принадлежности (сравните: Кузьма — Кузмис, но не в фамилиях, а в диалектных формах). В данном случае Вельмис — это, скорее всего, усечённая или переоформленная форма от более полного прозвища вроде Вельмислав или Вельмимир, где основа «вельми» соединялась со второй частью, а потом сократилась в бытовой речи. Такое сокращение — обычное дело в среде, где имя использовали без отчества.

Фамилия образована по стандартной патронимической модели: Вельмис + -ев (притяжательный суффикс), то есть «сын Вельмиса». Окончание -ев, а не -ов, указывает на то, что основа оканчивается на мягкий согласный или на -й (в старой орфографии — Вельмисъ, но звук [с’] дал -ев). Встречается также вариант написания Вельмисев с ударением на второй слог (ВельмИсев), что подтверждает связь с «вельми», а не с гипотетическим именем Вельм.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России. В переписных книгах XVII–XVIII веков она не зафиксирована массово, что говорит о её локальном, возможно, однодворческом или крестьянском происхождении. Носители фамилии встречаются в современных архивах Вологодской, Костромской и Кировской областей — регионах, где долго сохранялась архаичная лексика.

Спорная версия выводит Вельмисев из финно-угорского корня (от «вель» — вода, река), но она слаба: фамилия не имеет характерных для марийских или коми фамилий суффиксов, а основа «вельмис» не объясняется из известных языков Поволжья. Поэтому славянская этимология остаётся основной.

Итог: предок носителя фамилии Вельмисев получил прозвище Вельмис — скорее всего, за какую-то выдающуюся степень качества (силы, роста, умения). Фамилия редкая, но прозрачная для того, кто знает древнерусское «вельми».