Фамилия Вельмискин образована от личного имени или прозвища Вельмиска, и её разбор сразу упирается в неоднозначную основу. Слово «вельма» в русских говорах означает «ведьма», и первая версия происхождения связывает имя именно с этим корнем. К основе «вельма» добавили уменьшительно-ласкательный суффикс -к-, получив Вельмиску — так в семье могли называть ребёнка. Имя с «нечистой» символикой давали не случайно: у восточных и западных славян ведьма — один из главных мифологических персонажей, которому приписывали власть над стихиями (град, ураган, наводнение) и способность влиять на людские отношения через привороты и отвороты. Называя сына Вельмиской, родители действовали по логике оберега: считалось, что «плохое» имя отпугнёт злых духов и убережёт ребёнка, а на деле мальчик вырастет здоровым и красивым.

Вторая версия более прозаична и, вероятно, точнее. Она отталкивается от наречия «вельми» — старого слова со значением «весьма, очень, премного». В этом случае Вельмиска — прозвище человека, которого отличала какая-то чрезмерная черта: необычайная сила, рост, говорливость или, наоборот, упрямство. Суффикс -ск- в прозвище — редкий для русской антропонимии, что делает эту версию менее типичной, но не невозможной: в северных говорах, где фамилия могла возникнуть, встречаются и такие модели.

Фамилия оформлена по стандартной русской модели: суффикс -ин указывает на принадлежность «чей?» — сын Вельмиски. Вельмискин — это «Вельмискин сын», то есть потомок человека по имени или прозвищу Вельмиска. География фамилии узкая: она встречается преимущественно в Поволжье, особенно в Мордовии и соседних областях, что косвенно подтверждает связь с диалектной лексикой. Сравните с однокоренными фамилиями Вельмисов, Вельмищев — они показывают, что основа «вельм-» не случайна, а имеет местные корни.