Фамилия Билякаева — женская форма фамилии Билякаев, и её разбор стоит начать с суффикса, который указывает на способ образования. Модель «основа + -ев» типична для русских фамилий, образованных от прозвищ или имён, оканчивающихся на мягкий согласный или -й. В данном случае основа — Билякай, а -ев — притяжательный суффикс, отвечавший на вопрос «чей?». То есть Билякаев — буквально «сын или потомок Билякая».

Сама основа Билякай — это, скорее всего, тюркское имя или прозвище. В тюркских языках корень «бил-» часто связан со знанием, мудростью (сравните: «биль» — знание, «билим» — наука). Суффикс -ак/-як в тюркской антропонимии мог придавать уменьшительно-ласкательное или прозвищное значение. Таким образом, Билякай могло означать «знающий», «мудрец» или «маленький знающий». Встречаются и параллели с именем Билял (арабского происхождения, от «биляль» — влажный), но для фамилии Билякаева версия с тюркским корнем «бил-» выглядит более прямой и правдоподобной.

Географически фамилия тяготеет к регионам Поволжья и Урала, особенно к Башкортостану и Татарстану, где тюркские имена и прозвища были основой для многих русских по форме фамилий. В XIX веке такие фамилии часто фиксировались у крестьян и мещан, принявших православие, но сохранивших в роду тюркское прозвище. Интересно, что написание через «я» (Билякаев, а не, скажем, Биляков) указывает на мягкое произношение основы, что характерно для башкирского или татарского диалекта.

Редкость фамилии объясняется тем, что исходное прозвище Билякай было не слишком распространённым — оно фиксировалось в основном в отдельных селениях. Сейчас носители фамилии встречаются в основном в Башкортостане, Челябинской и Оренбургской областях, а также в диаспорах в крупных городах. При этом в дореволюционных метрических книгах можно найти варианты написания: Билякаев и реже Белякаев — из-за аканья или особенностей записи в документах.