Фамилия Бирюльцев образована от прозвища Бирюлька. В русском языке слово «бирюлька» имеет два основных значения, и оба могли лечь в основу фамилии.

Первое и самое известное — мелкая игрушка из набора для старинной игры в бирюльки. В этой игре участники крючком вытаскивали из кучки крошечные фигурки, не пошевелив остальные. Прозвище Бирюлька могли дать человеку маленького роста, щуплому, а также тому, кто занимался пустяками или был излишне суетлив. Второе значение, менее распространённое, но тоже возможное — в некоторых говорах «бирюлькой» называли дудочку или свирель. Тогда прозвище мог получить музыкант или пастух.

Суффикс -ев указывает на стандартную модель русских фамилий: Бирюлька → Бирюльцев, то есть «сын Бирюльки». Фамилия закрепилась в северных и центральных губерниях. По данным переписей, Бирюльцевы встречаются в Вятской, Пермской и Вологодской областях — регионах, где игра в бирюльки была особенно популярна, а пастушество — обычным промыслом.

Интересно, что фамилия не имеет отношения к глаголу «бирюлить» (колдовать или заговаривать), как иногда ошибочно полагают из-за созвучия. Филологи связывают её именно с предметным прозвищем, а не с магическими практиками. Встречается и вариант Бирюлькин, но он значительно реже.

О дворянском происхождении Бирюльцевых сведений нет. Скорее всего, носители фамилии происходили из крестьян или посадских людей — тех сословий, где прозвища давали по бытовым, ремесленным или игровым приметам.