Фамилия Вельмисов — редкий случай, когда в основе лежит не имя, не профессия и не географическое название, а наречие. Исходное слово — «вельми», что в древнерусском и церковнославянском языках означало «очень», «весьма», «в высшей степени». Это не просто корень, а целая смысловая конструкция: прозвище Вельмиса могли дать человеку, который часто употреблял это слово в речи, либо тому, кого характеризовали как «вельми сильного», «вельми умного» — то есть обладающего качеством в превосходной мере.

Модель образования проста: к основе Вельмис- добавлен типичный русский суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — сын Вельмиса). Суффикс -ов — самый распространённый в русских фамилиях, но здесь он присоединён к нестандартной основе, что сразу выделяет фамилию из ряда обычных патронимов от канонических имён.

С точки зрения словообразования, Вельмисов — это патронимическая фамилия, но её уникальность в том, что прозвище Вельмиса, скорее всего, было не обиходным, а книжным или даже ироничным. В народной среде наречие «вельми» звучало архаично, почти как церковная терминология. Поэтому носитель такого прозвища мог быть грамотеем, причетником или человеком, любившим вставлять в речь «учёные» слова.

Есть и другая, менее вероятная версия: связь с греческим именем Вельмис (возможно, искажённое от Вильгельм или от греческого «вель» — «воля»), но она не подкреплена источниками. Филологически надёжнее считать, что фамилия — чисто русская, образованная от наречия, которое вышло из активного употребления уже к XVIII веку.

Вельмисовы — это не дворянский род и не крестьянская масса, а скорее редкая фамилия, встречающаяся в центральных губерниях России, преимущественно среди духовенства и мещан. Поскольку исходное слово было книжным, предки носителя фамилии с большой вероятностью имели отношение к церковной или письменной среде — псаломщики, дьячки, мелкие канцеляристы.

Сравните с однокоренными фамилиями: Вельминов (от «вельми» + суффикс -ин) или Вельмичев (от прозвища Вельмич). Вельмисов стоит особняком: суффикс -ов здесь работает как стандартный патроним, но основа настолько необычна, что фамилия звучит почти как искусственная, хотя на деле она вполне естественна для русской ономастики.