Фамилия Билугина — женская форма мужской фамилии Билугин. Её основа, скорее всего, восходит к прозвищу Билуга. В русском языке это слово имеет два значения, и оба могли стать источником фамилии. Первое — диалектное название крупной рыбы (белуги), которое давали человеку крупного телосложения или медлительному. Второе — фонетический вариант слова «белуга», но в переносном смысле: «реветь белугой» — громко плакать. Такое прозвище мог получить крикливый, экспрессивный человек.

Модель образования фамилии проста и типична для русского севера и центра: суффикс -ин указывает на принадлежность «чей?» — сын или потомок Билуги. В говорах Архангельской, Вологодской областей и Прикамья слово «билуга» действительно фиксируется в значении «белуга» (рыба), а также как бранное или шутливое прозвище. Географически фамилия Билугины встречается нечасто, но плотнее всего — в старых переписях Пермской губернии и в Зауралье, что косвенно подтверждает севернорусское происхождение.

Стоит отметить редкий для русских фамилий элемент — начальное «Би-» вместо обычного «Бе-». Это не ошибка, а отражение живого произношения: в северных говорах (особенно в окающих) «билуга» — закономерный вариант. Таким образом, фамилия Билугина — диалектная и довольно точная: она сохранила звучание, которое в литературном языке закрепилось как «белуга». Если искать однокоренные фамилии, то Билугин стоит в одном ряду с Белугиным, Белухой, Белухиным — все они образованы от одного корня, но разошлись в написании из-за региональных особенностей произношения.

Никаких сведений о дворянском происхождении или известных исторических носителях фамилии нет. Она остаётся в разряде крестьянских и мещанских, что для таких «говорящих» прозвищных фамилий совершенно обычно.