Фамилия Вельмишев образована по той же модели, что и множество других славянских фамилий, широко представленных в ономастике восточных, западных и южных славян. В основе таких фамилий всегда лежит личное прозвище или имя — христианское или языческое. В случае с Вельмишевым ключ к разгадке лежит в слове «вельми» — древнерусском наречии, означавшем «очень, весьма, в высшей степени». Это слово было широко распространено в древнерусском языке, но к современному читателю пришло в основном через летописи и былины, где часто встречается в формулах вроде «вельми сильный» или «вельми красен».

Отсюда логично предположить, что предок человека с фамилией Вельмишев мог получить прозвище Вельмиш (или Вельмиша) за какое-то выдающееся качество: необыкновенную силу, рост, ум или, возможно, громкий голос. Прозвище подчёркивало, что его обладатель «вельми» (очень) превосходит других в чём-то. Суффикс -ш- в основе (Вельмиш) характерен для русских обиходных и уменьшительных форм имён и прозвищ (сравните: Павел — Павлиш, Илья — Ильюш), что придаёт фамилии оттенок бытовой, «домашней» древности.

Словообразовательная модель проста: к основе Вельмиш- добавился типичный русский фамильный суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Вельмишев, то есть сын или потомок Вельмиша). Фамилия закрепилась в тех регионах, где бытовало само слово «вельми», — прежде всего в северных и центральных землях Древней Руси. В современных говорах это наречие почти исчезло, поэтому фамилия Вельмишев — своего рода лингвистический артефакт, сохранивший в бытовом именовании пласт древнерусской лексики.

Интересно, что в некоторых говорах «вельми» могло приобретать ироничный оттенок — так могли прозвать человека, который любил преувеличивать или хвастаться, говоря «вельми хорошо» о чём угодно. Однако первая версия — о действительно выдающемся качестве — выглядит правдоподобнее, поскольку прозвища обычно давались по реальным, заметным признакам. Фамилия редкая, не получила широкого распространения, что типично для прозвищ, привязанных к живой, но ушедшей из языка лексике. Её носители — живые свидетели того, как древнерусское слово, почти забытое в речи, продолжает существовать в фамильном имени.