Фамилия Зелемоткина — женская форма, мужская — Зелемоткин. В основе лежит прозвище или мирское имя, и разобрать его можно по-разному, но главная зацепка — редкий суффикс -отк-, который сразу выдает нестандартную модель образования.

Самый вероятный корень — «зелемотка», то есть «зелень» в значении «молодой, неопытный, зеленый». Суффикс -отк- в русских прозвищах часто придавал слову оттенок несерьезности, недоделанности или насмешки: ср. «зеленотка» (недозрелый, юнец), «молодотка». В говорах «зелемотка» могло означать и «незрелый овощ», и «несмышленыша». Фамилию, скорее всего, дали человеку, который в молодости был слишком наивным или горячим, — прозвище закрепилось как родовое имя.

Менее убедительная версия — связь с диалектным «зелемотка» (тот, кто зевает, ротозей), от глагола «зевать». Но здесь мешает звучание: для «зеваки» ожидался бы суффикс -ак или -ун, а не -отк. Второй вариант — от «землемотка» (землемер, межевщик) с упрощением «мл» в «л» и утратой первого «м», но это фонетически натянуто: фамилии Землемерова, Землемеркин встречаются, но Зелемоткина из них выводят искусственно.

Географически фамилия редкая, встречается в основном в центральных и южных областях России (Тамбовская, Воронежская, Рязанская), где диалектное слово «зелемотка» могло бытовать. Суффикс -ин указывает на принадлежность: чей? — Зелемоткин, то есть «сын Зелемотки». Такая модель типична для прозвищ, которые не склонялись как прилагательные, а сразу закрепились в притяжательной форме.

Сословно носители фамилии, скорее всего, крестьяне или однодворцы — в дворянские роды с таким корнем не попадали. В дореволюционных переписях Зелемоткины фиксируются как государственные крестьяне, что подтверждает бытовое, а не книжное происхождение фамилии.