Фамилия Вельмяйкин — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Её можно разобрать по составу: корень «вельм-» или «вельмяй-», суффикс «-кин», указывающий на принадлежность (чей? — Вельмяйкин, то есть сын или потомок Вельмяйки). Суффикс «-к-» в основе (Вельмяйка) — типичный для русских прозвищ и некалендарных имён, которые часто укорачивали или «ласкали» таким способом.

Что могло лежать в основе прозвища Вельмяйка? Самая правдоподробная версия — связь с диалектным словом «вельми», то есть «очень, весьма» (из церковнославянского). В говорах северо-восточных и центральных областей России «вельми» могло означать «сильно, гораздо» или даже «много». В таком случае прозвище Вельмяйка могли дать человеку крупному, сильному или, наоборот, чрезмерно говорливому — тому, кто всё делал «вельми». Второй вариант — искажение тюркского имени или прозвища, но для фамилии с суффиксом «-кин» и характерным «-яй-» это менее типично: такие формы чаще встречаются в исконно русской среде, особенно в Поволжье и на Вятке.

Географически фамилия Вельмяйкин редка и локализована. Переписи и архивные данные указывают на её бытование в бывшей Пензенской губернии и соседних районах Среднего Поволжья. Это область, где смешивались русские, мордовские и тюркские говоры, но сама модель «-кин» от прозвища на «-ка» — чисто русская, причём недворянская. Вельмяйкины, скорее всего, происходили из крестьян или однодворцев (государственных крестьян, живших на южных рубежах). Прозвище могло закрепиться за главой семьи в XVII–XVIII веках, когда «вельми» ещё было живо в устной речи.

Отдельного внимания заслуживает написание. Встречается вариант «Вельмайкин» (с буквой «а» вместо «я»). Это не ошибка, а отражение местного произношения: в безударном положении «е» и «я» звучали близко, и при записи фамилии в метрических книгах писарь мог зафиксировать «Вельмайкин». Оба варианта — об одном корне. Спорных версий у фамилии немного: попытки связать её с «вельможа» (через «вельможкин») фонетически неубедительны, так как суффикс «-яй-» нехарактерен для этой основы. Проще и точнее — от «вельми» + уменьшительный суффикс «-яйка», то есть «вельми-яйка»: тот, кто «вельми» (очень) что-то делал или сам был «вельми» большим.