Фамилия Земцев образована от прозвища или нецерковного имени Земец. Ударение в исходном слове падает на второй слог — Зе́мец. Такая модель типична для русских фамилий на -ов/-ев: суффикс -ец указывал на человека по его занятию или характерному признаку, а окончание -ев присоединялось к основам на мягкий согласный или ц.

Значение прозвища Земец неоднозначно. Самая распространённая версия — род занятий. В западных и юго-западных русских говорах, а также в украинском и белорусском языках земец означал «пасечник, пчеловод». Пчеловодство было важным промыслом, а бортничество и пасечное хозяйство давали мёд и воск — ценные продукты для обмена и продажи. Прозвище Земец мог получить человек, который держал пасеку, или тот, кто славился знанием пчёл.

Есть и другая, менее вероятная версия: связь со словом «земля». В некоторых диалектах земцем могли называть крестьянина-земледельца, оседлого хозяина, в отличие от безземельного батрака. Но эта гипотеза подкреплена слабее, так как для земледельца в русском языке были другие, более частые прозвища и именования (например, Крестьянинов, Пахарь, Селянин). Прямых словарных фиксаций слова «земец» в значении «земледелец» в северных и центральных говорах нет.

Фамилия Земцев сравнительно редкая. Она не входит в сотни самых распространённых русских фамилий, но встречается в центральных областях России и на юге. По происхождению это типичная «патронимическая» фамилия, то есть фамилия по отцу: сын Зе́мца становился Земцевым. Суффикс -ев указывает на принадлежность: «чей?» — «Земцев», то есть сын или потомок Земца.

В ономастических справочниках (например, в работах Б. Унбегауна) фамилии на -ец и далее -цев разбираются как образованные от прозвищ с уменьшительными или профессиональными суффиксами. Земцев стоит в одном ряду с фамилиями Кузнецов, Плотников, Столяров, но с более узким, диалектным значением исходного слова.