Фамилия Бильмега — редкий случай, когда основа слова не поддаётся однозначной славянской этимологии. Скорее всего, перед нами фамилия тюркского происхождения, адаптированная русской суффиксацией. Корень «биль-» в тюркских языках (татарском, башкирском, казахском) означает «знание», «ведание» (ср. «белмәк» — знать, «белем» — знание). Вторая часть «-мега» может восходить к тюркскому «мега» или «мәгә» — в разных диалектах это слово имеет значения «смысл», «цель», «значение». Таким образом, исходное прозвище Бильмега могло означать «знающий смысл», «понимающий суть», то есть мудреца, толкователя или грамотея.

Фамилия образована по продуктивной русской модели: к тюркской основе добавили финаль -а, которая в русском языке воспринимается как окончание имени существительного женского рода, а затем оформили в фамилию без дополнительного суффикса (по типу Сковорода, Мазепа). Такая модель характерна для украинских и южнорусских фамилий, где прозвище на -а переходило в фамилию без изменений. Однако географически фамилия Бильмега встречается не на юге, а в Поволжье и Приуралье — регионах с сильным татарским и башкирским влиянием. Это подтверждает тюркскую версию: носитель фамилии мог быть крещёным татарином или башкиром, либо русским, получившим прозвище от соседей-тюрков.

Менее правдоподобна, но возможна версия от финно-угорского корня. В марийском и удмуртском языках есть слово «биль» — «мелкий», «дробный». Но сочетание с «-мега» не даёт убедительного значения. Тюркская этимология надёжнее: она объясняет и семантику, и ареал бытования.

Суффикса в фамилии нет — это так называемая «чистая» основа. В русской ономастике такие фамилии обычно принадлежали казакам, однодворцам или крестьянам, не имевшим помещика, у которых прозвище закреплялось без изменений. Сословной принадлежности Бильмега точно не указывает — фамилия встречается и у крестьян, и у мещан. В дореволюционных записях фамилия фиксируется в Казанской и Уфимской губерниях.

Сейчас фамилия крайне редкая. Её уникальность — в прозрачной для тюрколога внутренней форме: носитель фамилии, скорее всего, потомок человека, которого в окружении уважали за ум и осведомлённость.