Фамилия Вольменский звучит так, будто за ней стоит польский или западнорусский дворянский род, и это впечатление не обманывает. Её типичный суффикс -ский указывает на происхождение от географического названия — скорее всего, от топонима Вольмень, Вольмен или Вольмянка. Такие названия могли дать деревне или урочищу, а владелец поместья или выходец из этого места получал прозвище «Вольменский», то есть «тот, кто из Вольмени».

В основе названия, скорее всего, лежит балтийский или славянский корень, связанный с водой или низиной. В литовском и латышском есть слово «valmis» — влажный, сырой, а в древнепрусском «wolmen» могло означать болото или топь. Таким образом, Вольмень — это «мокрое место», низина, что типично для названий поселений в Полесье, на Смоленщине или в Беларуси. Встречается также версия, что корень связан с личным именем Вольма (краткая форма от Владимир или Вольдемар), но это менее вероятно: фамилии на -ский от личных имён образуются реже.

Модель образования типична для шляхты и духовенства. В Речи Посполитой и на западе России фамилии на -ский носили в основном дворяне, владевшие землёй, или священники, получавшие фамилию по названию прихода. Если предки Вольменских были мелкими помещиками, их родовое гнездо могло называться Вольмень. Если же фамилия возникла в среде духовенства — её дали по церкви в селе Вольменка.

Встречаемость фамилии невысока, что говорит о её локальном происхождении: носители сосредоточены в основном в Беларуси, на западе Брянской и Смоленской областей, а также в Польше (форма Wolmeński). В XIX веке часть Вольменских могла перебраться в Сибирь или на Урал — такие переселения фиксируются в переписях. Фамилия не получила широкого распространения, поэтому её носители, скорее всего, имеют общего предка из одного конкретного села, которое до сих пор можно найти на картах.