Фамилия Яльмеев — редкий случай, когда в основе лежит не славянское имя или прозвище, а тюркское слово, скорее всего, восходящее к марийскому или чувашскому языку. Если отбросить патронимический суффикс -ев, указывающий на происхождение по отцу («чей?»), остаётся корень «Яльмей» (или «Яльмай»). Это имя-прозвище, которое в тюркских языках могло означать «молния», «сверкающий» или «быстрый, как молния» (сравните с чувашским «ҫиҫӗм» — молния, или марийским «йол» — нога, но в переносном смысле). Встречаются варианты написания: Яльмаев, Ельмеев, что связано с особенностями передачи гласных в документах XIX века.

География фамилии подсказывает, что её носители — выходцы из зоны финно-угорского и тюркского пограничья: из Марий Эл, Татарстана, Удмуртии и южных районов Кировской области. Предки Яльмеева могли быть марийцами или чувашами, принявшими православие, — при крещении им давали русские имена, но прозвище Яльмай оставалось в быту, а затем закрепилось как фамилия. Вторая версия, менее вероятная, связывает корень с названием реки Яльма (приток Камы) — тогда фамилия означала бы «живущий на Яльме», но гидроним не получил широкой известности.

Словообразовательная модель здесь нестандартна: суффикс -ев присоединился к имени, оканчивающемуся на -й, что характерно для адаптации тюркских имён в русской среде (сравните: Алмаев, Туктаев). По сословной принадлежности Яльмеевы чаще всего были государственными крестьянами — не крепостными, а «ясачными» людьми, платившими подать пушниной или деньгами. В метрических книгах XIX века фамилия встречается в записях о рождении в деревнях Малмыжского и Уржумского уездов Вятской губернии.

Споров о происхождении почти нет: лингвисты сходятся на том, что основа — личное имя Яльмай, которое в переводе с марийского означает «молниеносный» или «озаряющий». Это имя давали в надежде, что ребёнок будет быстрым и удачливым. Фамилия осталась редкой и сегодня — её носителей насчитывается не более нескольких сотен человек, в основном в Поволжье и Приуралье.