Фамилия Жмелева — женская форма фамилии Жмелев. Её основа восходит к прозвищу или нецерковному имени Жмель, которое в русских говорах означало «шмель». В диалектах слово «жмель» (или «жмелёк») фиксируется как вариант названия крупного мохнатого насекомого, отсюда и прозвище: так могли назвать человека — трудолюбивого, как шмель, или, наоборот, ворчливого, напоминающего жужжание. В некоторых регионах «жмель» имело и переносное значение — «беспокойный человек», «непоседа».

Модель образования проста: к основе на -ь (Жмель) добавили притяжательный суффикс -ев, характерный для фамилий, образованных от прозвищ или личных имён, оканчивающихся на мягкий согласный. В отличие от фамилий на -ов (от основ на твёрдый согласный), Жмелев — типичный пример севернорусской и центральнорусской ономастической традиции. Интересно, что в некоторых говорах слово «жмель» могло звучать как «жмелёк», что дало бы фамилию Жмельков, но вариант с суффиксом -ев встречается чаще.

Географически фамилия Жмелев (и её женская форма) не является широко распространённой. Она тяготеет к регионам, где сохранились архаичные диалектные формы названия шмеля — прежде всего Вологодская, Архангельская, Костромская области, а также некоторые районы Урала, куда переселенцы принесли свои говоры. Встречается она и в списках крестьянских фамилий, что косвенно указывает на происхождение из среды земледельцев или ремесленников — прозвища по насекомым в крестьянском быту давали часто, без особой торжественности, по внешнему сходству или характеру.

Стоит отметить, что фамилию могли записывать и как Жмелёва — с ударным окончанием, что характерно для некоторых говоров. В документах XIX века встречаются оба варианта написания, но современная орфоэпическая норма склоняется к безударному -ева, как в большинстве фамилий на -ев. Если искать однокоренные фамилии, то помимо Жмелькова можно вспомнить Жмелёв — с тем же корнем, но с другим суффиксальным оформлением, а также редкую фамилию Жмелихин, образованную от матронима.