Фамилия Вельмизев — редкая и неочевидная, и её разбор требует внимания к деталям словообразования. Первое, что бросается в глаза, — суффикс -ев. В русских фамилиях он обычно указывает на принадлежность (чей? — Вельмизев), то есть «сын Вельмиза» или «человек из рода Вельмиза». Основа «Вельмиз» не похожа на типичное каноническое имя, поэтому искать её корни стоит не в святцах, а в прозвищах, диалектах или иноязычных заимствованиях.

Главная версия связывает фамилию с древнерусским словом вельми (очень, весьма). В старых текстах «вельми» — синоним «сильно, в высшей степени». Прибавив к нему суффикс -ез (как в словах «крутезный», «дивезный»), могли получить прозвище Вельмиз — «весьма большой», «очень сильный», «чрезвычайный». Такие прозвища давали людям с яркой внешностью или характером: великанам, силачам, либо, наоборот, в ироничном ключе — хвастунам. Позже прозвище перешло в фамилию через отчество.

Менее вероятная, но допустимая версия — связь с тюркскими языками. В них встречается корень bilmez (знающий) или belmez (не знающий, невежда). Однако русская фамилия с окончанием -ев и отсутствие следов тюркского антропонимикона в сословных списках делают эту гипотезу слабой: скорее всего, это случайное созвучие.

Географически фамилия Вельмизев — редкая, встречается точечно в южнорусских и центральных областях (Воронежская, Тамбовская, Рязанская губернии). В дореволюционных метрических книгах её носители — в основном крестьяне и однодворцы. Никаких дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что подтверждает её происхождение из простонародного прозвища.

Интересно, что фамилия избежала типичного для «вельми» написания через «и» (Вельмизев, а не Вельмезев). Это говорит о том, что в момент закрепления фамилии носители произносили гласную чётко — «и», а не редуцированное «е». Такая деталь позволяет предположить, что прозвище бытовало в говорах, где сохранялось старомосковское «яканье» или даже «иканье».