Folgende Adelsgeschlechter des Namens von Veltheim sind zu unterscheiden:
Ein edelfreies, vermutlich aus Schwaben stammendes Geschlecht von Veltheim, welches um 1068 im Herzogtum Sachsen, vermutlich in Veltheim am Fallstein, ansässig wurde und zwischen 1157 und 1238 als Grafen von Osterburg und Altenhausen in Erscheinung trat. Es ist nach 1238 erloschen. Es führte ein Wappen mit drei schwarzen Balken, wie es auch für ein schwäbisches Adelsgeschlecht von Veltheim überliefert ist, das vermutlich gleichen Stammes war.
Im 13. Jahrhundert war außerdem eine Familie (oder Linie) von Veltheim (ebenfalls mit leicht abgewandeltem Balkenwappen) zu Veltheim bei Winterthur in der Schweiz als Ministerialen der Grafen von Kyburg begütert. Eine Abstammung von derselben schwäbischen Familie erscheint ebenfalls möglich, ist aber nicht nachgewiesen.
Daneben gibt es das 1141 erstmals genannte uradlige braunschweigische Ministerialengeschlecht von Veltheim auf Veltheim an der Ohe bei Wolfenbüttel, das ursprünglich einen Lindenzweig im Wappen führte und erst 1391 das Balkenwappen der inzwischen erloschenen Grafen von Veltheim-Osterburg-Altenhausen übernahm. Diese Familie stammt aber vermutlich nicht von den Edelherren und Grafen ab, hatte ihnen aber möglicherweise als Ministerialen gedient. Diese Familie ist in Niedersachsen und Sachsen-Anhalt ansässig und blüht noch in verschiedenen Zweigen.