Фамилия Билбилов — редкий случай, когда прозвище застыло в почти неизменном виде на протяжении веков. Её основа — тюркское слово «билбил», что означает «соловей». В русском языке это слово известно благодаря заимствованию через азербайджанский, турецкий или крымскотатарский языки, где «bülbül» (бильбиль) — поэтическое название певчей птицы. Встречается и вариант Бульбулов — с более сильной редукцией гласного.

Вероятнее всего, Билбилом нарекли человека с красивым, звонким голосом или хорошего певца. В тюркской среде такое прозвище могло быть и лестным, и ироничным — если обладатель, наоборот, пел фальшиво или много говорил. Менее вероятная, но допустимая версия: прозвище дали человеку с характерной внешностью (например, с большими глазами, как у соловья) или же оно восходит к имени Билбил, которое встречается у народов Кавказа и Средней Азии.

Суффикс -ов указывает на русскую модель образования фамилий, типичную для крестьян и мещан. Это значит, что носитель фамилии — потомок человека по прозвищу Билбил (Билбило). Фамилия могла возникнуть в регионах с сильным тюркским влиянием: в Поволжье, на Урале, в Сибири, на Северном Кавказе. Встречается она редко, что делает её маркером конкретной родовой линии.

В дореволюционных переписях фамилия почти не фиксируется; её носители, скорее всего, относились к крестьянскому или казачьему сословию. В современной России фамилия Билбилов единична, но сохранилась у потомков тех, кто унёс с собой прозвище «соловей» в документах.