Фамилия Вельмицкая — редкий пример, где географическая привязка оказывается едва ли не надёжнее лингвистической. В отличие от большинства фамилий на -ский, которые в XIX веке массово получали семинаристы от названий церковных праздников или латинских корней, Вельмицкая почти наверняка происходит от названия населённого пункта. Искать его стоит на бывших землях Великого княжества Литовского, в современной Беларуси или на западе России.

Основа фамилии — Вельмиц(а). Слово «вельми» в древнерусском и церковнославянском языках означало «очень», «весьма» (отсюда «вельми богат»). Однако маловероятно, что прозвище Вельмица дали человеку за чрезмерность в чём-то — суффикс -иц- в восточнославянских фамилиях чаще указывает на принадлежность к месту, а не на качество. Скорее всего, существовала деревня или усадьба Вельмицы (по аналогии с Вельминово, Вельмичи). Житель такой местности получал прозвание Вельмицкий, а его жена или дочь — Вельмицкая. Форма на -ая типична для дворянских фамилий, но в XIX веке её закрепили и за крестьянками, вышедшими замуж за носителя фамилии на -ский.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ск- указывает на отношение к объекту («из Вельмиц»), окончание -ая — на женский род. Мужской вариант — Вельмицкий. Фамилия не получила широкого распространения: в дореволюционных метрических книгах она встречается точечно, чаще в Могилёвской и Витебской губерниях. Встречаются варианты написания через «о» — Вольмицкая, но это скорее результат местного аканья, а не отдельная ветвь.

Семинарская версия маловероятна: в духовных училищах фамилии от наречий практически не образовывали. Если бы корень был вычурным, его бы латинизировали (например, Вельмицкий от лат. valde — «очень»), но для этого нет оснований. Так что, с большой долей уверенности, Вельмицкая — это фамилия, закреплённая за выходцами из конкретной деревни. Найти её точное местоположение сегодня — задача для краеведа, но сам факт такой географической привязки делает фамилию не случайной, а вполне конкретной: предки этой женщины жили в одном месте, и место это дало им имя.