Фамилия Бильтоев — редкий пример, где тюркская основа соединилась с русским патронимическим суффиксом, но не самым привычным способом. Вопреки ожиданию, суффикс здесь не -ов, а -ев, что указывает на основу, оканчивающуюся на мягкий согласный или, что вероятнее, на звук, который в русской записи передаётся как «й». Скорее всего, в основе лежит личное имя или прозвище Бильтой, где конечное «й» дало при присоединении суффикса форму Бильтоев (как в фамилиях Толстой — Толстоев, или, если брать тюркские примеры, Каратай — Каратаев). Модель образования типична для фамилий, которые складывались у народов Поволжья и Приуралья, входивших в зону влияния русского делопроизводства в XVII–XIX веках.

Корень «бильт» (bilт) восходит к тюркскому bil — «знать, ведать». В башкирском, татарском и казахском языках есть слово белде (белде) — «знающий», «сведущий», а также личные имена Бельтир, Бельтюк. Имя Бильтой могло означать «знающий» или «мудрый», то есть быть пожелательным именем для ребёнка. Вторая часть — «ой» — может быть как уменьшительным формантом, так и самостоятельным словом «ой» (низина, ложбина) в некоторых тюркских диалектах, но в данном контексте первая версия правдоподобнее: имя, а не топоним.

Географически фамилия Бильтоев тяготеет к Башкортостану и соседним регионам Южного Урала. В ревизских сказках и метрических книгах XIX века она встречается среди башкир и татар, которые при получении фамилий нередко брали русский суффикс, но сохраняли тюркскую основу. Встречается также вариант Бильтеев — с более чёткой передачей гласного в корне. Социально носители фамилии, скорее всего, были рядовыми общинниками, скотоводами или земледельцами, без выраженной сословной привязки к дворянству или духовенству.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Бильдин, Бильдюков, Бильбаев, — то Бильтоев стоит особняком из-за редкого форманта «-ой» в основе. В русском ономастиконе фамилий с таким строением единицы, и это делает её ценной для тех, кто ищет не просто «фамилию предка», а след конкретного имени, не стёртого временем.