Фамилия Вельмисова — один из примеров, как имя, данное человеку четыреста лет назад, закрепилось в роду и дошло до наших дней. Её основа — мужское мордовское имя Вельмис, которое, скорее всего, образовано от эрзянского слова «вельмемс» — «воскреснуть, ожить» или «зародиться». Такое имя давали с пожеланием долгой и полной сил жизни, чтобы ребёнок «ожил», то есть окреп и выжил.

Имя Вельмис не было редкостью в XVI–XVII веках на территориях современной Мордовии и Нижегородской области. Оно оставило след и в местной топонимике: река Вельмисевка (правый приток Отвеля, бассейн Вяди и Суры) и Вельмисев починок названы по людям. В писцовой книге 1623 года упомянут «бортный ухожай Вельмиска Уздеватов» — владелец участка для бортничества, то есть сбора мёда диких пчёл. А рядом, в 1624 году, зафиксирован Вельмис Арыков, чьё имя дало название починку.

Фамилия образована по стандартной русской модели: к основе Вельмис добавили суффикс -ов, означающий принадлежность («чей?» — Вельмисов). Окончание -а указывает на женскую форму, но в современном употреблении фамилия может быть как мужской (Вельмисов), так и женской (Вельмисова). Мужская форма Вельмисов встречается реже, что говорит о том, что фамилия закрепилась в основном через женскую линию или в документах фигурировала именно женская форма.

Географически фамилия Вельмисова привязана к зоне расселения эрзян — правобережье Волги, бассейн Суры и Мокши. Здесь, в местах бортных ухожаев и починков, имя Вельмис было не просто личным, а рабочим, бытовым, и перешло в фамилию естественно, без участия духовенства или канцелярии. Это редкий случай, когда фамилия сохранила прямую связь с языческим по сути именем-пожеланием, не адаптированным под церковный календарь.