Фамилия Вельмизов происходит от личного прозвища Вельмиз. В основе лежит древнерусское и украинское наречие «вельми» — «очень, весьма», родственное прилагательному «вельмий» (великий). Прозвище Вельмиз могли дать человеку большого роста, физической силы или, что вероятнее, тому, кто обладал весомым словом и авторитетом в общине. В среде, где решения принимались миром, прозвище «Вельмиз» закреплялось за уважаемым старожилом или судьёй.

Сама фамилия построена по продуктивной модели на -ов, указывающей на принадлежность: «чей?» — Вельмизов, то есть сын или потомок Вельмиза. Суффикс -ов типичен для южнорусских и украинских фамилий, что подтверждает возможное происхождение рода с территории современной Украины или южных областей России.

Интересно, что в русском языке слово «вельми» вышло из активного употребления ещё в XVII–XVIII веках, перейдя в разряд книжных и устаревших. Это делает фамилию Вельмизов архаичной по корню: она сохранила лексический пласт, который в живой речи уже не встречается. Прямых параллельных фамилий с тем же корнем немного — можно вспомнить разве что редкую фамилию Вельмицкий, образованную через польский суффикс.

Сословной привязки у фамилии нет: прозвище Вельмиз встречалось и среди крестьян, и среди казаков. В документах XIX века носители фамилии фиксируются в основном в Курской, Харьковской и Воронежской губерниях — регионах, где украинское влияние на местные говоры было сильным.