Фамилия Вельможин — из тех, что звучат почти анекдотично, если знать исходное слово. В основе лежит прозвище Вельможа. Вельможей на Руси называли человека знатного, богатого, при высоком сане и звании. Прозвище же давали с обратным смыслом, чаще всего в насмешку: хвастливому, зазнавшемуся или высокомерному мужику. Сословная ирония здесь очевидна — простого крестьянина или ремесленника дразнили «вельможей» за его повадки, а не за реальное положение.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: «чей?» — Вельможин, то есть сын или потомок Вельможи. Модель образования типична для русских фамилий от прозвищ и личных имён, оканчивающихся на -а/-я. Унбегаун в своём словаре относит такие фамилии к разряду притяжательных прилагательных.

Есть и вторая, менее распространённая, но документально подкреплённая версия. В Тамбовской области существует село Вельможка, основанное в первом десятилетии XVIII века. По первой ревизской сказке 1719 года в нём числился 181 человек — дворцовые крестьяне. Житель такого села мог получить фамилию по названию места жительства: Вельможин. Обе версии не противоречат друг другу — прозвище и топоним могли существовать параллельно, и фамилия в разных ветвях рода возникла независимо.

Встречаемость фамилии невысокая, она редкая даже по меркам русских прозвищных фамилий. В дореволюционных справочниках и метрических книгах носители Вельможины фиксируются преимущественно в центральных и южных губерниях, что косвенно подтверждает связь с тамбовским регионом.