Фамилия Вельямова — женская форма, а её мужской вариант — Вельямов. Это одна из тех фамилий, которые на первый взгляд кажутся иноязычными, но на деле имеют вполне русские корни, хоть и с необычным звучанием. Основа здесь — не имя Вильям, как могло бы показаться, а древнерусское нецерковное имя или прозвище Вельяма, которое, в свою очередь, восходит к тюркскому «вель» — «большой, великий» или к диалектному «вельями» — «сильно, очень». Таким образом, прозвище Вельяма мог получить рослый, сильный или влиятельный человек.

Суффикс -ов указывает на типичную русскую патронимическую модель: Вельямов буквально означает «сын Вельямы». Фамилия эта довольно редкая и, скорее всего, имеет северное или восточное происхождение. В старых писцовых книгах и переписях Вятки, Пермской и Вологодской губерний встречаются крестьяне и посадские люди с таким именем-прозвищем. Например, в документах XVII века упоминается крестьянин Вельяма Иванов сын, что подтверждает бытование этой основы в живой речи задолго до закрепления фамилии.

Интересно, что фамилия Вельямов не связана с дворянскими родами и не фиксируется в «Бархатной книге» или «Общем гербовнике». Её носители — потомки крестьян, ремесленников или служилых людей «по прибору» (стрельцов, пушкарей). В советское время фамилия могла трансформироваться под влиянием канцелярской ошибки: редкое имя Вельяма иногда путали с Вильямом или записывали как Велямов. Поэтому в современных справочниках можно встретить оба варианта, но исходный, с мягким знаком, — более древний и точный.