Фамилия Бильшенко звучит на украинский лад, и это — ключ к её разгадке. Суффикс -енко указывает на типичную украинскую модель образования фамилий, означающую «сын» или «потомок» (как и русское -ович). Следовательно, Бильшенко — это «сын Бильша» или «потомок человека по прозвищу Бильш».

Основа фамилии — Бильш — на первый взгляд кажется неочевидной. Самое вероятное объяснение лежит в области фонетики и диалектов. В украинском языке, особенно в его западных говорах, звук [ш] мог появляться на месте мягкого [с’] или [с] перед некоторыми гласными. Проще говоря, «Бильш» — это диалектный вариант прозвища Бильс или Бiльсь, которое, в свою очередь, восходит к прилагательному бiлий (белый).

Таким образом, прозвище Бильш (а затем и фамилия Бильшенко) могло изначально относиться к человеку со светлыми волосами или бледной кожей. В славянской традиции прозвища по цвету волос (Беляк, Белый, Черныш) были одними из самых распространённых, и их диалектные варианты давали богатое разнообразие фамилий.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с глаголом бiльшати (увеличиваться) или существительным бiльшiсть (большинство). В этом случае прозвище Бильш мог получить крупный, рослый человек или, напротив, старший в роду («большак»). Однако фонетическая форма «Бильш» для производных от «большой» в украинском языке менее характерна (обычно встречается «Большенко»), поэтому версия с «белым» выглядит убедительнее.

По географии фамилия Бильшенко тяготеет к центральным и, возможно, западным областям Украины, где были распространены говоры с таким смягчением согласных. В России она встречается редко, чаще всего как результат миграций с Украины в XIX–XX веках. Сословного барьера фамилия не имела: её могли носить и казаки, и крестьяне, и мещане, поскольку прозвищный тип фамилий на -енко был всесословным на украинских землях.