Фамилия Байлхан — редкая, и её происхождение не укладывается в привычные славянские словообразовательные модели. Скорее всего, она имеет тюркское или кавказское корневое происхождение, где «Бай» означает «богатый», «господин», «знатный», а «хан» — титул верховного правителя. В этом случае Байлхан — составное имя или прозвище, которое можно перевести как «богатый хан» или «знатный правитель». Такие имена были распространены у народов, где титул «хан» входил в личное имя (например, у татар, башкир, казахов, народов Кавказа). Фамилия могла закрепиться за потомками человека, носившего такое имя, или за человеком, который в силу характера или социального положения получил прозвище Байлхан.

С точки зрения русского бытования, фамилия могла возникнуть при переписи населения в регионах с сильным тюркским влиянием, например, в Поволжье, на Урале или на Кавказе. Суффикса, типичного для русских фамилий (‑ов, ‑ин, ‑ский), здесь нет, что указывает на позднее оформление или на то, что фамилия сохранилась в исходной, неадаптированной форме. Возможен и другой вариант: Байлхан — это искажённое написание более сложной фамилии (например, Байлханов), где под влиянием устной речи отпало окончание. Но в любом случае, основа фамилии прозрачна и указывает на высокий статус предка — либо реальный, либо метафорический.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Баймуратов, Байдавлетов, Ханбеков) подтверждает, что компонент «Бай» и «хан» часто соединялись в именах знати или зажиточных людей. Поэтому предки носителя фамилии Байлхан с высокой вероятностью относились к местной элите — сельским старшинам, купцам или мелким феодалам в тюркоязычной среде. Точную географию бытования фамилии можно уточнить по региональным метрическим книгам XIX века, но уже сейчас ясно: это не случайное прозвище, а след социального положения.