Фамилия Вельмисева хранит память о своих носителях уже несколько столетий. Её основа — имя или прозвище Вельмис, которое встречается в документах XVII века. В писцовой книге 1623 года упомянут «бортный ухожай Вельмиска Уздеватов» — человек, занимавшийся сбором мёда диких пчёл в лесных угодьях. Неподалёку находился Вельмисев починок, названный по имени Вельмиса Арыкова. Эти записи прямо связывают фамилию с конкретными людьми и местами на территории современной Мордовии.

Происхождение имени Вельмис спорно, но есть две основные версии. Первая возводит его к эрзянскому глаголу «вельмемс» — «воскреснуть, ожить, зародиться». В этом случае имя давали с пожеланием долгой жизни, как оберег. Вторая версия связывает Вельмис с глаголом «вельмоваться» — «величаться, кичиться». Тогда прозвище мог получить гордый, важный человек. Какая из гипотез вернее — сказать трудно, но обе укладываются в логику народных имён: одно оберегает, другое описывает характер.

Фамилия образована по стандартной восточнославянской модели: к основе Вельмис добавили суффикс -ев (в женском роде — -ева). Такого типа фамилии — «чья?» — указывают на принадлежность главе семьи. Вельмисева значит «дочь (или жена) Вельмиса». Мужской вариант — Вельмисев.

География фамилии узкая: она привязана к бассейну реки Вельмисевки — правого притока Отвеля в Мордовии. Само название реки, скорее всего, тоже пошло от имени Вельмис. Это типичный случай, когда гидроним и фамилия имеют общий корень, что говорит о давнем заселении этих мест одним родом.

Сословно носители фамилии, судя по ранним записям, относились к крестьянам или бортникам — людям, жившим лесными промыслами. Дворянских ветвей не зафиксировано. Фамилия редкая, в современных справочниках почти не встречается, но сохранилась у потомков тех самых бортников из писцовых книг.