Фамилия Желомаев образована от названия реки Желомы — одного из притоков в бассейне Енисея. Основатель рода, скорее всего, либо жил в той местности, где протекает эта река, либо нёс там службу. В результате за ним закрепилось прозвище Желомай, а его потомки со временем получили фамилию Желомаев.

Словообразовательная модель здесь простая и типичная для русских фамилий: прозвище на -ай (Желомай) плюс патронимический суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — сын Желомая). Формы на -ай в русской ономастике нередко давали прозвища людям, связанным с местностью или характерным действием. В данном случае основа «желом-» напрямую отсылает к гидрониму Желома. Такая привязка к реке — не редкость для сибирских фамилий, особенно в районах, где реки служили главными ориентирами для расселения и хозяйственной деятельности.

Можно предположить, что фамилия Желомаев имеет локальное происхождение и бытует преимущественно в Сибири, хотя точных данных о её распространённости и сословной принадлежности носителей в открытых источниках немного. Река Желома — объект нешироко известный, что делает фамилию редкой и географически конкретной. Если сравнивать с однокоренными фамилиями, например Желомов или Желомин, то Желомаев выделяется суффиксом -аев, который чаще встречается в южнорусских и украинских фамилиях, но в Сибири он мог закрепиться из-за смешения переселенческих потоков.

Иных версий происхождения, кроме топонимической, для этой фамилии нет — ни от древнерусского имени, ни от профессии. Поэтому связь с рекой Желомой остаётся единственным и наиболее правдоподобным объяснением.