Фамилия Вельможкина — одна из тех, где прозрачная основа сразу подсказывает социальный контекст, в котором она возникла. Корень здесь — слово «вельможа», то есть знатный, богатый человек, сановник. Однако не стоит думать, что предок носительницы этой фамилии сам был вельможей. Чаще всего такие фамилии давали в крестьянской или мещанской среде — как прозвище, часто ироничное. Вельможкой могли назвать того, кто держался важно, любил покомандовать, носил дорогую (пусть и подаренную или с чужого плеча) одежду или просто обладал властным характером. Прозвище закреплялось за человеком, а уже его дети становились Вельможкиными.

Словообразовательная модель типична для русского севера и центральных областей. Суффикс -к- в основе (Вельможк-а) — это уменьшительная или уничижительная форма, которая при образовании фамилии через -ин дала Вельможкин. Такая модель (прозвище на -ка → фамилия на -ин) характерна для северорусских и некоторых поволжских говоров, где активно использовали форму «Вельможка» в быту. В южнорусских и западнорусских землях скорее встретилась бы фамилия Вельможев или Вельможенко.

В отличие от многих «господских» фамилий (Бояринов, Князев), Вельможкин имеет более бытовой оттенок. Это не указание на службу или происхождение, а характеристика поведения. В документах XVI–XVII веков встречаются крестьяне и посадские люди с прозвищем Вельможка, что подтверждает: фамилия не дворянская, а народная, «мирская».

Географически фамилия Вельможкина (и мужской вариант Вельможкин) чаще всего фиксируется в Вологодской, Архангельской, Костромской областях, а также в Поволжье — в Нижегородской и Кировской областях. Это зона бытования северорусского говора, где суффикс -к- в прозвищах был особенно распространён. Встречается она и на Урале, куда переселенцы с севера принесли свои фамилии в XVIII–XIX веках.

Спорных версий происхождения у этой фамилии практически нет. Корень настолько ясен, что альтернативные гипотезы (например, от тюркского «вель» или финно-угорского корня) выглядят натянутыми и не подкреплены ни фонетически, ни ареально. Поэтому основная и единственно убедительная версия — от прозвища Вельможка, данного простому человеку с «господскими» замашками.