Фамилия Желомский образована по одной из самых распространённых в восточнославянской ономастике моделей — с помощью суффикса -ский, который изначально указывал на принадлежность к местности или владение ею. Чаще всего такие фамилии получали дворяне по названию своих поместий, а позже — и выходцы из духовенства, бравшие фамилии по названиям сёл и приходов. В основе фамилии лежит топоним Желомо, Желомы или Желомь. Подобные названия встречаются в старых писцовых книгах и на картах: например, деревня Желомы есть в Новгородской области, а также в Беларуси. Корень слова — «желом» или «желомь» — в древнерусском языке означал нечто согнутое, изогнутое, дугообразное. Отсюда же происходит слово «желоб» и диалектное «желомок» — изгиб, излучина реки или овраг. Скорее всего, селение получило имя по своему расположению — в изгибе реки или в ложбине.

Фамилия Желомский — относительно редкая. Она не входит в число массовых русских фамилий и не имеет широкой географии. Основные очаги бытования — северо-запад России (Новгородская, Псковская области) и восток Беларуси. Это косвенно подтверждает версию о новгородском или полоцком происхождении. Дворянский род Желомских не был широко известен и не попал в гербовники, поэтому, скорее всего, фамилия закрепилась за крестьянами или однодворцами, которые получили её по месту жительства уже после отмены крепостного права, когда паспорта и метрики стали обязательными для всех сословий.

Интересна словообразовательная деталь: ударение в фамилии, судя по диалектным записям, чаще падает на второй слог — Жело́мский. Это характерно для фамилий, образованных от топонимов с суффиксом -ом- (ср. Беломский, Селомский). Если бы основа была «желома» с ударением на первый слог, фамилия звучала бы как Же́ломский, но такого варианта в источниках практически нет. Таким образом, исходное название местности, вероятно, звучало как Жело́мы — форма множественного числа, типичная для сёл и деревень (ср. Горы, Пески, Лужки).

Встречаются и однокоренные фамилии — Желомов, Желомин. Они образованы по другой модели, от прозвища Желом (человек с изогнутой спиной или сутулый) или от того же топонима, но с суффиксом принадлежности. Однако Желомский стоит особняком: суффикс -ский жёстко привязывает его к географическому объекту, а не к личному качеству предка. Поэтому основная и самая надёжная версия — фамилия по названию деревни, затерявшейся среди лесов и рек на северо-западе Руси.