Фамилия Чилибушкина — редкий случай, когда прозвище могло закрепиться за человеком со стороны, а не по роду занятий. Основа здесь — не профессия и не имя, а внешняя или поведенческая черта. Слово «чилибушка» в русских говорах, особенно южных и волжских, означало нечто маленькое, невзрачное, щуплое — либо, по другой версии, непоседливого, суетливого человека. В словаре Даля «чилибуха» — это ещё и растение (рвотный орех), но в бытовой речи уменьшительная форма «чилибушка» скорее относилась к человеку: «чилибушка» — как «мелюзга» или «ерш».

Суффикс -ин в основе Чилибушкина указывает на принадлежность: «чей?» — сын или дочь Чилибушки. Модель типична для русских фамилий на -ин: они образовывались от прозвищ, оканчивающихся на -а/-я. То есть сначала было прозвище Чилибушка (так могли назвать низкорослого мужчину или вертлявого парня), а затем его дети стали Чилибушкиными. Фамилия женская форма — Чилибушкина — закрепилась в документах по мужской линии, как это было принято.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где бытовала диалектная лексика с корнем «чилиб-». В переписях XIX — начала XX века Чилибушкины встречаются в Саратовской, Тамбовской и Воронежской губерниях. В этих местах слово «чилибушка» могли применять к человеку с характерной манерой двигаться — быстро, мелко, суетливо, как «чилибухать» (шлёпать по грязи или воде). Есть и версия, что прозвище связано с птицей чибисом (чибушка), но фонетически «чилибушка» стоит ближе к «чиликать» — то есть к болтливому, щебечущему человеку.

В отличие от фамилий, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров), Чилибушкина — целиком прозвищная. Это значит, что её носитель в XVI–XVII веках получил кличку, которая приклеилась к нему из-за заметной особенности. Поскольку прозвище не было оскорбительным (скорее насмешливо-ласковым), оно пережило века и не исчезло, как многие грубые прозвища.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Чиликин, Чилимов, Чилингаров — показывает, что корень «чил-» в русской ономастике часто связан с диалектными словами, обозначающими что-то мелкое или быстрое. Чилибушкина выделяется более развёрнутой суффиксальной цепочкой (-ушк-ин), что делает фамилию редкой: по приблизительным подсчётам, в России её носят не более нескольких сотен человек.