Фамилия Вельмогина — женская форма фамилии Вельмогин, и её происхождение напрямую связано с мужской основой. Сама же фамилия Вельмогин — редкая и неочевидная, что делает её разбор особенно интересным для этимолога. В отличие от большинства русских фамилий, оканчивающихся на -ов/-ев или -ин, здесь мы видим суффикс -ин, который обычно указывает на принадлежность к отцу или матери: «чей?» — Вельмогин, то есть сын Вельмоги. Но что такое «Вельмога»?

Корень здесь, скорее всего, не славянский, а финно-угорский. В языках народов Поволжья (марийском, удмуртском, коми) встречаются слова с основой «вель-» или «вел-», означающие «сила», «мощь», «способность». Например, в коми-зырянском «велöдны» — учить, «велöдысь» — учитель; в марийском «вий» — сила. Суффикс -мог- может быть искажённым вариантом от «мог» (мочь, быть в силах) или частью сложного слова. Таким образом, Вельмога могло быть дохристианским личным именем или прозвищем, которое давали сильному, умелому человеку, возможно, знахарю или шаману. В этом контексте фамилия Вельмогин имеет северное или восточное происхождение — из Вятки, Перми, Коми края.

Вторая, менее вероятная версия, связывает фамилию с диалектным русским словом «вельми» (очень, сильно). В этом случае Вельмога — человек, который «вельми мог» (очень много мог, был всемогущ). Но это скорее народная этимология, чем научная гипотеза.

Географически фамилия Вельмогина сегодня встречается крайне редко, в основном в центральной России и на Урале, что косвенно подтверждает версию о переселении носителей из финно-угорских регионов. Социальный статус предков, вероятно, был крестьянским или посадским, так как фамилии на -ин от прозвищ характерны для непривилегированных сословий. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.