Фамилия Бирюлькина образована от прозвища Бирюлька. Его основа — слово «бирюля», которое в русских говорах имело несколько значений: «дудка», «свирель», а также «мелкая игрушка» или «украшение». Кроме того, «бирюльки» — название старинной народной игры, где из кучки мелких фигурок нужно было вытаскивать по одной, не задев остальные. Какое из этих значений легло в основу прозвища, сказать сложно, но чаще всего его давали по роду занятий.

Скорее всего, Бирюлькой называли человека, который профессионально имел дело с дудками или игрушками. Это мог быть пастух, игравший на дудке, музыкант-дударь, либо ремесленник, делавший дудки, свистульки или мелкие деревянные игрушки на продажу. Реже прозвище давали любителю игры в бирюльки — человеку, который увлекался кропотливым и требующим терпения занятием. В любом случае, прозвище носило бытовой характер и закреплялось за конкретным человеком в сельской или ремесленной среде.

Фамилия Бирюлькина — женская форма от Бирюлькин. Такие фамилии на -ин характерны для северных и центральных губерний России, где активно использовался притяжательный суффикс со значением «чей?»: Бирюлькин — сын Бирюльки. Встречаемость фамилии невысока, и в дореволюционных источниках она почти не фиксируется, что говорит о её позднем оформлении и локальном бытовании. Скорее всего, предки носителей фамилии жили в одной из местностей, где слово «бирюля» было в ходу, — например, в Вологодской, Архангельской или Пермской губерниях, где диалектные названия дудок и свистулек особенно распространены.