Фамилия Чилигина — женская форма фамилии Чилигин, и её разумнее всего разбирать через мужской вариант. Основа фамилии — прозвище Чилига. Слово «чилига» в русских говорах, особенно южных и рязанских, означало «кустарник», «чаща», «мелкий лес», а также «палка», «хворостина». В. И. Даль фиксирует «чилигу» как заросли ивняка или тальника. Человек мог получить такое прозвище по месту жительства — в глухой, заросшей местности, или по внешней черте — долговязый, худой, похожий на хворостину.

Суффикс -ин в фамилии Чилигин указывает на типичную русскую модель образования от основ на -а/-я: «чей?» — Чилигин, то есть сын или потомок Чилиги. Эта модель была особенно распространена в северных и центральных губерниях России, где фамилии с -ин конкурировали с -ов. Встречается и вариант с суффиксом -ов — Чилигов, но он значительно реже и, скорее всего, связан с другим диалектным произношением.

В ономастических справочниках фамилия Чилигин не относится к самым частым, но имеет устойчивую географию. По данным переписей и архивов, носители фамилии концентрируются в Рязанской, Тамбовской и Нижегородской областях — то есть в регионах, где слово «чилига» было в ходу. Также есть версия, что прозвище могло произойти от глагола «чиликать» (щебетать, говорить быстро и невнятно), но она менее убедительна: основа «чилиг-» чётче соотносится с кустарником, чем с пением птиц.

Социально фамилия Чилигина почти наверняка крестьянская или мещанская. Дворянские роды с такой фамилией не зафиксированы. Предки носительницы фамилии, скорее всего, жили в лесной или степной полосе, занимались земледелием, а прозвище закрепилось за основателем рода из-за его связи с местностью — жил в чилиге, у чилиги, или сам был похож на тонкий прут.