Фамилия Бильграй — редкий случай в русском ономастиконе, где немецкая основа получила восточнославянское оформление. Её ядро — немецкое слово Bild («картина», «образ») или, что вероятнее, фамилия Bild (встречается в Германии и Австрии). Вторая часть, «грай», может быть искажением немецкого -graben (копать) или диалектного -grau (серый), но скорее всего это адаптация фамилии Bildgrau или Bildgrabe. На русской почве фамилию «дотянули» до привычной модели: суффикс -ай (как в фамилиях Толмай, Кисляй) или просто заменили окончание, чтобы звучало «по-своему».

Такая фамилия не могла возникнуть у крепостных крестьян центральной России. Она указывает на переселенца из немецких земель — скорее всего, мастера, ремесленника или колониста, приглашённого в Россию в XVIII–XIX веках. Немцы-переселенцы оседали в Поволжье, Новороссии, под Петербургом. Там их фамилии нередко обрусевали: к немецкой основе прирастал русский суффикс или менялось окончание. Бильграй — как раз такой гибрид: немецкий корень и славянское окончание, которое делает фамилию удобной для склонения.

По словообразовательной модели фамилия близка к украинским и южнорусским фамилиям на -ай (Тиграй, Каравай). Но если там суффикс часто указывал на профессию или характер, то здесь он — чисто фонетическая адаптация. Первоначальное немецкое прозвище, возможно, относилось к художнику (Bild — «картина») или к человеку, жившему у рва (Graben). В любом случае, носитель фамилии Бильграй — потомок того, кто принёс в Россию не просто имя, а целую историю миграции и языкового смешения.

Встречаемость фамилии крайне низкая. Она не входит в списки распространённых русских фамилий, не упоминается в словарях Б. Унбегауна или В. Никонова. Основной ареал — юг России и Украина, где немецкие колонии были особенно многочисленны. Сословно предки, скорее всего, были мещанами или цеховыми ремесленниками, а не дворянами: дворянские немецкие фамилии обычно сохраняли оригинальное написание (фон Бильдграу).