Фамилия Бильбао — редкий случай в русском ономастиконе, и сразу скажем: она не имеет отношения к испанскому городу. Связь с Бильбао в Стране Басков — это случайное совпадение, красивое, но ложное. Русская фамилия Бильбао образовалась на русской почве, скорее всего, из прозвища или искажённой записи фамилии.

Самая правдоподобная версия ведёт к тюркским или кавказским корням. Основа «бильба» или «бильбай» в тюркских языках может означать «знающий», «мудрый» (от «биль» — знать). Суффикс -ао в русских фамилиях нетипичен, но встречается на юге России и в казачьих областях: это могло быть результатом адаптации тюркского окончания (например, -ай) под русское произношение. В таком случае Бильбао — потомок человека, которого прозвали Знающим или Учёным.

Есть и более прозаичная гипотеза: фамилия могла возникнуть из прозвища, данного выходцу с Кавказа или из Средней Азии, чью речь или имя русские писцы записали на слух. Например, фамилия Бильбаев (от Бильбай) при переписи могла трансформироваться в Бильбао из-за особенностей местного говора или ошибки писаря. В пользу этого говорит то, что фамилия Бильбао встречается в основном на юге России и в Поволжье — регионах активного контакта с тюркскими народами.

Никаких документальных подтверждений дворянского происхождения или связи с известными историческими личностями у этой фамилии нет. Она остаётся редкой, и её носители — скорее всего, потомки крестьян или казаков, получивших прозвище за ум или за происхождение. В современной России фамилия Бильбао — это, по сути, живая загадка, которую не разгадать без семейных архивов, но тюркский след выглядит убедительнее всего.