Фамилия Бутлименко — редкий случай, когда суффикс почти полностью перетягивает на себя внимание. Формант -енко, типичный для украинской и южнорусской ономастики, указывает на происхождение из земель бывшей Гетманщины, Слобожанщины или Кубани. В этой модели фамилия означает «маленький Бутлименко» или, что точнее, «потомок Бутлима». Но вот с основой «Бутлим» всё не так очевидно.

Самая рабочая версия: основа восходит к прозвищу Бутлима, где «бут» — диалектный или профессиональный корень. В южных и западных говорах «бутить» значило «заполнять пустоты, трамбовать, класть камень» (отсюда «бутовый камень»). Прозвище Бутлима мог получить каменщик или строитель, который занимался бутовой кладкой. Суффикс -им- в прозвище — редкий, но не единичный для украинской антропонимии (сравните: Хвалима, Нежима). То есть Бутлима — это человек, связанный с бутовым делом, или, в переносном смысле, кто-то «плотный», «основательный», как камень.

Менее вероятна, но не исключена связь с тюркскими языками. В тюркском «бут» — «нога, бедро», а «лимен» может быть искажённым «лиман» (залив) или же частью сложного имени. Однако для фамилии, заканчивающейся на -енко, такая этимология выглядит натянутой: тюркские основы редко оформлялись этим патронимическим суффиксом в чистом виде, обычно они проходили через стадию прозвища.

Фамилия не встречается среди старых дворянских родов. Это типичная фамилия казацко-крестьянского круга: потомки мастеровых людей или казаков, получивших прозвище по занятию. Географически Бутлименко почти наверняка привязана к Полтавщине или Черниговщине, где суффикс -енко держался дольше всего, а также к югу России, куда украинские переселенцы уходили в XVIII–XIX веках. В современных справочниках фамилия крайне редка, что подтверждает её локальный и, вероятно, угасающий характер.