Фамилия Бирюлёва происходит от мужского прозвища Бирюля. В русских говорах бирюлей называли дудку, мелкую игрушку или украшение. Скорее всего, прозвище дали человеку по роду занятий: он мог быть музыкантом, играющим на дудке, пастухом, который пользовался таким инструментом, или мастером, делавшим игрушки и побрякушки. Есть и бытовая версия — прозвище могло закрепиться за тем, кто любил тешиться безделушками или сам баловался игрой на дудке.

Фамилия образована по стандартной модели с суффиксом -ёв, который присоединяли к основам на мягкий согласный. В данном случае к основе Бирюл- добавили -ёв, а затем окончание -а, указывающее на принадлежность женщине. Полное звучание — Бирюлёва — это форма женского рода; мужской вариант фамилии — Бирюлёв. Такая модель типична для центральных и северных областей России.

Стоит отметить, что прозвище Бирюля могло иметь и переносный смысл. В некоторых диалектах «бирюлей» называли нелюдимого, угрюмого человека (сравните с «бирюк» — волк-одиночка). Однако для фамилии Бирюлёва эта версия менее вероятна: прямое значение «дудка, игрушка» встречается чаще и лучше объясняет, почему прозвище дали взрослому человеку.

Фамилия не слишком распространена, но встречается в разных регионах, особенно на севере европейской части России. Встречаются и однокоренные фамилии: Бирюлин, Бирюлькин — все они восходят к тому же корню, но с разными суффиксами.

Таким образом, фамилия Бирюлёва хранит память о прозвище предка, которое, по всей видимости, было связано либо с его ремеслом, либо с характерной привычкой.