Фамилия Желомеева — женская форма фамилии Желомеев, и в её основе лежит прозвище или нецерковное имя Желомей. Слово «желомей» в русских говорах имело два основных значения. Первое — «желвак», «шишка», «нарост» или «бугор»; так могли прозвать человека с заметной внешней особенностью, например, с большой шишкой на лбу или с выпуклым лбом. Второе значение — «морщина», «складка», что тоже отсылало к характерным чертам лица: нахмуренный, морщинистый человек получал прозвище Желомей. В некоторых диалектах это слово означало и «скупой, прижимистый человек» — перенос по смыслу от «сжатого, сморщенного» к «жадному».

Словообразовательная модель проста: основа Желомей + типичный русский суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Желомеев). Окончание -а в женском варианте — стандартное согласование по роду. Фамилия образована от прозвища, а не от крестильного имени, что характерно для значительного пласта русских фамилий, особенно среди крестьян и посадских людей.

Географически фамилия Желомеев (и Желомеева) тяготеет к южнорусским и центральным областям — Курской, Орловской, Тамбовской, Воронежской. В этих краях слово «желомей» бытовало в живой речи. Встречается она и на Урале, куда переселенцы из чернозёмных губерний принесли свои прозвища в XVII–XVIII веках. В ревизских сказках и писцовых книгах XVII–XVIII веков попадаются крестьяне и однодворцы с фамилией Желомеевы — например, в документах по Белгородскому уезду.

Редкий случай — возможная связь с тюркским «желомей» (или «джеломей»), что означало «бедняк», «неудачник». Но для русской фамилии это маловероятно: в тюркских языках слово не фиксируется как распространённое прозвище, а в русских говорах значения «нарост» и «морщина» хорошо задокументированы. Поэтому версия с чисто славянским корнем — основная и наиболее правдоподобная.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Желомеев стоит в одном ряду с Желудевым (от «желудь» — нарост на дереве или прозвище по форме головы), Шишковым (от «шишка») и Бугровым. Все они описывали внешность человека через выпуклости и наросты — грубоватые, но точные бытовые прозвища. Фамилия Желомеева, таким образом, несёт в себе память о конкретном физическом признаке предка — скорее всего, о необычной форме лба или о привычке хмуриться, которую окружающие запомнили и закрепили в родовом имени.