Фамилия Бриленко образована по распространённой в украинской и южнорусской ономастике модели с суффиксом -енко. Этот суффикс в XVI–XVIII веках означал «сын» или «потомок» и закрепился как типичный для фамилий казацкой старшины, мещан и крестьян Левобережья и Слобожанщины. Основа фамилии — Брил(о) — могла быть прозвищем или производным от личного имени.

Корень «брил» не принадлежит к частотным славянским основам, поэтому стоит обратиться к диалектной лексике. В украинских говорах слово «брила» (или «брило») означало «глыба», «ком земли», «толстый кусок». Прозвище Брило могли дать человеку плотному, грузному, либо, наоборот, тому, кто работал с землёй — пахарю или гончару. Встречается и версия, что «брила» — искажённое «брыла» (губа), но для фамилии это менее вероятно, так как суффикс -енко указывает на отчество от прозвища, а не на прямое описание внешности.

Есть и другая, более редкая гипотеза: связь с глаголом «брить». В некоторых говорах «брило» — инструмент для бритья, и прозвище мог получить цирюльник или брадобрей. Однако в таком случае ожидалась бы фамилия Бритенко или Брилько, а форма Бриленко тяготеет к первой версии.

Географически фамилия Бриленко наиболее характерна для Полтавской, Черниговской и Сумской областей Украины, а также для прилегающих районов России (Белгородчина, Курщина). В документах XVIII — начала XIX века встречаются записи о казаках Бриленках в Гадячском полку, что подтверждает её происхождение из казачьей среды. В отличие от фамилий на -ов/-ин, которые доминируют в великорусских землях, Бриленко сохранила типично украинскую модель и не перешла в русифицированную форму.