Фамилия Бирюльцевы образовалась от личного прозвища Бирюлец. Основа — слово «бирюля», которое в русских говорах многозначно. В одном значении это дудка или свирель, в другом — мелкая игрушка, украшение. Была и старинная игра в бирюльки, где из кучки мелких предметов нужно было вытащить один, не пошевелив остальные. Такая игра требовала терпения и ловкости, и завзятого игрока тоже могли прозвать Бирюльцем.

Скорее всего, прозвище указывало на профессию или занятие. Предок Бирюльцевых мог быть пастухом, игравшим на дудке, или мастером, который делал дудки, игрушки, мелкие украшения. В некоторых регионах «бирюлями» называли и мелкие безделушки, так что прозвище могло закрепиться за токарем или резчиком по дереву, изготовлявшим такие вещицы.

Фамилия образована по стандартной русской модели: к основе Бирюлец добавился суффикс -ев (в родительном падеже — «чей сын?» — Бирюльцев). Суффикс -ев, а не -ов, стоит после мягкого согласного ц, что типично для фамилий, возникших в центральных и южных регионах России. В некоторых говорах возможна была и форма Бирюльцов, но в литературном написании закрепился вариант с -ев.

Точное место и время возникновения фамилии установить сложно: процесс закрепления прозвищ в фамилии шёл несколько столетий. Однако ясно, что Бирюльцевы — не случайная фамилия, а живое напоминание о ремесле или привычке предка, ушедшее в быт вместе с дудками, игрушками и старинной игрой.