Фамилия Билогубка — яркий пример того, как прозвище, данное по внешнему признаку, застыло в родовом имени. В её основе лежит украинское или белорусское слово «білогубка», что дословно означает «белогубка». Так могли назвать человека со светлыми, почти белыми губами — либо из-за природной особенности, либо из-за болезни. В отличие от многих фамилий, образованных от имени отца, эта сразу указывает на конкретную примету, которая бросалась в глаза окружающим.

Суффикс -к- в фамилии — уменьшительно-ласкательный или, реже, пренебрежительный. В украинской и белорусской традиции прозвища с таким суффиксом были очень распространены: они придавали имени бытовую, «домашнюю» окраску. Сравните с фамилиями Голубка, Сорока, Криворучка — все они образованы по одной модели. Фамилия не получила патронимического окончания (-ов, -ин), что говорит о её сравнительно позднем закреплении, когда прозвища уже не переделывали на русский лад.

Географически фамилия тяготеет к западнорусским землям, где сильны украинское и белорусское влияние. В России она встречается редко, чаще в качестве единичных записей. В дореволюционных переписях носители Билогубка могли записываться и как Белогубка, и как Белогуб — в зависимости от грамотности писаря и местного говора. Исходное прозвище могло принадлежать крестьянину или ремесленнику, поскольку фамилии на -ка в среде высших сословий почти не встречались.

Словообразовательная модель здесь простая и прозрачная: сложение корней «бил-» (белый) и «-губ» (губа) с последующим суффиксом -к- и окончанием -а. В ономастическом словаре Б. Унбегауна подобные фамилии описываются как характерные для украинской антропонимии, где описательные прозвища часто становились родовыми без дополнительных суффиксов принадлежности.