Фамилия Билебрух — редкий случай в русском ономастиконе, где за основу взято не имя, не ремесло и не топоним, а, скорее всего, немецкое прозвище, переосмысленное на славянской почве. Словообразовательная модель здесь нестандартна: окончание -брух не характерно для русских фамилий, и это сразу выдаёт иноязычное происхождение.

Скорее всего, фамилия сложная, двухкорневая, и восходит к немецкому «Biele» или «Bille» (уменьшительное от имени Биллунг, либо диалектное название какого-то предмета) и «Bruch» — «ломка», «перелом», «болото», «трясина» (в зависимости от диалекта). В немецком Bruch может означать и «пролом», и «влажное место, поросшее кустарником». Таким образом, Билебрух — это либо «тот, кто живёт у болота Биле», либо прозвище человека с грубой, «ломкой» манерой поведения. Второй вариант менее вероятен, так как фамилии с основой на «ломка» редко становятся наследственными.

Наиболее правдоподобная версия — географическая. В Германии и Австрии есть несколько населённых пунктов с корнем «Bruch» (например, Брухзаль). Фамилия могла возникнуть у переселенцев, которые выехали из региона, где было селение или урочище «Билебрух». В России такие фамилии встречаются у потомков немецких колонистов, приглашённых Екатериной II, или у обрусевших немцев. Суффикс не прибавлялся — фамилия вошла в русский язык в почти неизменном виде, что типично для фамилий немецкого происхождения, которые не адаптировали под русские патронимические суффиксы (-ов, -ин).

Есть и альтернативное, но слабое объяснение: от еврейского прозвища, где «Биле» — искажённое «бил» (мёд) на идише, а «брух» — «благословение». Однако в этом случае фамилия звучала бы как «Билбрух» или «Билброх». Согласная «е» в середине указывает скорее на немецкую основу.

В дореволюционных источниках фамилия почти не встречается — это говорит о её крайней малочисленности. Носители Билебрух могли быть ремесленниками или крестьянами из обрусевших немецких колоний Поволжья или Причерноморья. Никаких известных исторических личностей с этой фамилией не зафиксировано, что делает её «чистой» для генеалогического поиска: каждый новый носитель — сам по себе первооткрыватель.