Фамилия Волменских в своей основе содержит редкий суффикс -ск- и окончание -их, что указывает на её северное или сибирское происхождение. Такая модель типична для фамилий, которые закрепились в форме родительного падежа множественного числа («из семьи Волменских»), и чаще всего встречается у потомков жителей Новгородской, Вятской и Архангельской губерний.

Главная версия связывает фамилию с рекой Волма. На территории бывшей Новгородской губернии есть река Волма — левый приток Мсты, вытекающая из озёр Большое Боровое и Нездринское. На её берегу стояло село Волма (сейчас — деревня Усть-Волма), впервые упомянутое в берестяной грамоте конца XIII века. Рядом находятся курганы VIII–IX веков, а по преданию, в 947 году княгиня Ольга определила здесь погост. Человек, живший на этой реке или в этом селе, получал прозвание «Волменский», то есть «с Волмы». Со временем форма множественного числа «Волменских» закрепилась как фамилия.

Существует и вторая река Волма — левый приток Свислочи в Минской области Белоруссии. Поэтому фамилия могла возникнуть независимо и в белорусских землях. Сам гидроним, скорее всего, восходит к белорусскому «волмо (валмо)» — «впадина», «углубление». Менее убедительна гипотеза, связывающая название с древнерусским «вълмъ» — «мелкая ива», «кустарник».

Есть и другая, менее вероятная версия. В архивных документах изредка встречается слово «волменский» в значении «относящийся к молнии». Эта редкая лексема могла использоваться в среде православного духовенства при создании искусственных фамилий в XVII–XIX веках. Семинаристам нередко давали фамилии по ярким чертам характера: резвого, шустрого ученика могли прозвать Волменских — «молниеносного». Однако эта гипотеза уступает географической: основная масса носителей фамилии, вероятно, ведёт род от людей, живших на берегах реки с названием Волма.