Фамилия Архилей — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Если отбросить случайные или искусственные версии, остаётся одна наиболее логичная основа: имя Архип. Архилей — это народная, обиходная форма от канонического имени Архипп (греч. Ἄρχιππος, «начальник конницы» или, по другой версии, «владеющий конём»). В русских говорах имя Архип нередко произносили и записывали как Архилей: суффикс -ей возник под влиянием других имён на -ей (Матвей, Тимофей, Сергей) или просто как диалектное смягчение. Сравните: из Ефим в народе делали Ефимей, из Антип — Антипей. Так Архип превратился в Архилея.

Фамилия образована по продуктивной модели на -ев: Архилей + -ев = Архилеев. Но со временем, при записи в документах, конечная буква могла отпасть, и фамилия закрепилась в краткой форме Архилей. Возможен и другой путь: прозвище Архилей, данное человеку из-за его манеры говорить или по созвучию с каким-то местным словом, напрямую стало фамилией. Однако прозвищная версия слабее — у имени Архип была устойчивая народная форма, и именно к ней восходит большинство похожих фамилий (Архипов, Архипцев, Архипович).

Географически фамилия Архилей встречается в основном в центральных и южных регионах России, а также у потомков переселенцев на Украине и в Белоруссии. Это говорит о том, что носители фамилии — скорее всего, выходцы из крестьянской или мещанской среды, где имя Архип было распространено, а его просторечная форма — обычным делом. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ей (как в именах Алексей, Андрей) присоединился к корню Архип-, дав форму Архилей, а затем фамилия либо осталась без патронимического суффикса, либо утратила его в бытовой записи. В любом случае, перед нами типичный случай, когда фамилия хранит живую народную речь, а не канцелярский вариант имени.