Фамилия Вельмизовы происходит от прозвища Вельмиз, которое, скорее всего, имеет украинские корни. Основа здесь — прилагательное «вельмий», то есть «великий». Такое прозвище вряд ли давали за физическую силу или рост. Судя по смыслу, его мог получить человек уважаемый, чьё слово имело вес, чьё мнение считалось авторитетным в округе. Прозвище закреплялось за главой семьи, а затем перешло к детям и внукам в форме фамилии на -ов: Вельмизов.

Фамилия образована по стандартной для восточнославянского региона модели: к основе Вельмиз- добавили патронимический суффикс -ов, который буквально означает «чей?» — то есть сын Вельмиза. Эта модель в XVII–XIX веках вытеснила более старые формы без суффикса и стала господствующей в русской фамильной системе.

Спорных версий у этой фамилии почти нет. Можно было бы предположить связь с диалектным словом «вельми» (очень, весьма), но в русских говорах оно не использовалось как личное прозвище. Украинское происхождение выглядит убедительнее: слово «вельмий» встречается в исторических источниках именно как характеристика человека.

Точное место и время возникновения фамилии сейчас установить сложно — процесс формирования фамилий у крестьян и мещан растянулся на несколько столетий и завершился только к концу XIX века. Однако ясно, что Вельмизовы — носители редкой фамилии, сохранившей в основе старое славянское слово, которое в современном языке почти исчезло из активного употребления.