Фамилия Бирюлины — одна из тех, что образовалась от прозвища, а не от крестильного имени. В её основе лежит слово «бирюля», которое в русских говорах имело несколько значений: дудка, мелкая игрушка, безделушка, а также название старинной игры в бирюльки. Скорее всего, прозвище Бирюля получил человек, связанный с изготовлением таких вещей или с игрой на дудке — пастух или музыкант. Не исключено и другое: так могли назвать любителя игры, где из кучки мелких предметов нужно было вытащить один, не задев остальные.

Фамилия построена по простой и распространённой модели: к основе Бирюл- добавили суффикс принадлежности -ин. В русской традиции фамилии на -ин образовывали от слов, оканчивающихся на -а/-я. Таким образом, Бирюлин буквально означает «сын Бирюли» или «человек из рода Бирюли». Это типичный для центральной и северной Руси способ называть семью по главе — без отчества, а по прозвищу.

Редкость фамилии в том, что слово «бирюля» имеет и другие, менее известные диалектные значения: в некоторых областях так называли «сосульку» или «мелкий предмет неопределённой формы». Если предок жил в местности с таким говором, прозвище могло относиться к его внешности или характеру — например, к худощавому или невысокому человеку. Но основная версия всё же связана с ремеслом или игрой.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Бирюков, Бирючков) показывает, что Бирюлины стоят особняком. Бирюковы восходят к «бирюк» — волк-одиночка или нелюдимый человек, а Бирюлины — к более конкретному и «мирному» занятию. Это говорит о том, что предки Бирюлиных, скорее всего, были не воинами или крестьянами с суровым нравом, а ремесленниками или людьми, известными своим мастерством или весёлым нравом.

Точное место возникновения фамилии определить сложно: процесс формирования русских фамилий растянулся на несколько веков, а письменные источники по таким «простым» прозвищным фамилиям часто скудны. Однако суффикс -ин указывает на то, что фамилия могла закрепиться в среде, где преобладала именно эта модель — в северных и центральных губерниях России, а не на юге или западе, где чаще использовали суффикс -ов.