Фамилия Бермилеев — редкая и с неочевидной основой. Чтобы понять её происхождение, нужно разобрать словообразовательную модель. Фамилия образована с помощью патронимического суффикса -ев, который в русской традиции присоединяли к основам, оканчивающимся на мягкий согласный или шипящий. Таким образом, ядро фамилии — «Бермилей».

Самая вероятная версия: Бермилей — это народная, бытовая форма крестильного имени. В русской среде греческие и латинские имена часто усекали и переделывали на свой лад. Например, имя Варфоломей (от арамейского «сын вспаханной земли») в просторечии могло звучать как Вармолей, Фоломей, а в некоторых говорах — и как Бермилей. Замена начального «В» на «Б» встречается в диалектах (ср. «берблюд» вместо «верблюд»). Если так, то Бермилеев — «потомок Бермилея», то есть Варфоломея.

Есть и другая, менее популярная гипотеза. В некоторых говорах слово «бермила» могло быть прозвищем человека с неуклюжей, тяжёлой походкой (от глагола «бермить» — стучать, греметь). Однако эта версия слабее: у глагола нет широкого распространения в памятниках письменности, а прозвищная модель с суффиксом -ила (типа «грабила», «воротила») обычно давала фамилии на -ин (Бермилин), а не на -ев.

Фамилия почти не встречается в старых боярских или дворянских списках. Скорее всего, Бермилеевы — выходцы из крестьянской или мещанской среды, возможно, из северных или центральных губерний, где имя Варфоломей было в ходу, а местные говоры допускали замену начального согласного. Ономастические справочники, например словарь Б. Унбегауна, фиксируют похожие случаи переделки церковных имён, но саму фамилию Бермилеев как отдельный случай не выделяют — это указывает на её редкость и локальный характер.