Фамилия Билюкины образована от прозвища Билюка, которое восходит к нарицательному «билюк» — названию лекарственного многолетнего травянистого растения. Билюк (в ботанике известный как синеголовник плосколистный, Eryngium planum) широко распространен по всей России (кроме Арктики и высокогорий), на Украине, в Белоруссии, Средней Азии и Молдове. Отвар корней билюка в народной медицине используют как мочегонное средство, поэтому основатель рода Билюкиных мог быть знахарем, получившим прозвище по роду занятий.

Но это не единственная версия. Из длинных стеблей растения делали циновки и маты; на Украине соломой билюка покрывали крыши хозяйственных построек. Проведены опыты по получению волокна из стеблей и листьев — веревочные изделия из него прочнее конопляной веревки, а метелку использовали для изготовления веников. Так что прозвище Билюк могло указывать и на другое ремесло: предок обладателя фамилии мог заниматься плетением веников или циновок из стеблей билюка. Оба варианта относятся к так называемым «профессиональным» именованиям, которые давали человеку по его работе.

Согласно другой, менее распространенной версии, Билюк — это диалектный вариант арабского мужского имени Билалетдин, которое переводится как «оздоровляющий религию». В этом случае, нарекая ребенка таким именем, родители желали, чтобы сын рос настоящим мусульманином. Эта гипотеза выглядит слабее: на русской почве имя Билалетдин вряд ли дало бы прозвище, созвучное названию растения, и фамилия Билюкин не встречается в среде, где арабские имена были бы типичны. Правдоподобнее считать основой именно русское диалектное слово.

Фамилия оформлена суффиксом -ин, что типично для прозвищ, оканчивающихся на -а: Билюка → Билюкин. О точном месте и времени возникновения фамилии говорить сложно — процесс формирования русских фамилий был длительным, но модель образования (прозвище + -ин) указывает на ее древность и бытование в крестьянской или ремесленной среде.