Фамилия Бирюлина образована от прозвища Бирюля. В русских говорах слово «бирюля» имело несколько значений: дудка, мелкая игрушка, украшение, а также название старинной игры — бирюльки. Какое из этих значений легло в основу прозвища, сказать однозначно нельзя, но скорее всего, оно указывало на род занятий предка. Бирюлей могли называть музыканта или пастуха, игравшего на дудке, либо мастера, делавшего дудки, игрушки или украшения. Не исключено и то, что прозвище привязалось к любителю игры в бирюльки.

Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: Бирюлина — это «дочь или жена Бирюли». Такая модель типична для русских фамилий, образованных от прозвищ или имён, оканчивающихся на -а или -я. В данном случае основа Бирюл- не имеет прямого отношения к волку-бирюку, с которым её иногда путают: бирюк и бирюля — слова с разной семантикой и разными корнями.

Фамилия довольно редкая и, судя по диалектной основе, могла возникнуть в северных или центральных областях России, где слово «бирюля» бытовало в указанных значениях. Встречаются также варианты с ударением на второй или третий слог, что характерно для фамилий на -ин. Потомок человека по прозвищу Бирюля со временем закрепил за собой фамилию Бирюлина, которая и дошла до наших дней.