Дильмухамедов — фамилия, в которой почти прозрачно читается мусульманское имя-основа: Дильмухамед. Это составное имя из двух корней: персидского «диль» (сердце, душа) и арабского «Мухаммед» (восхваляемый, имя пророка). Вместе — «душа Мухаммеда» или «сердце Мухаммеда», то есть человек, чья душа принадлежит пророку или исполнена его духа. Такие двухкорневые имена (Дилшод, Дилнавоз, Дилмурод) характерны для тюркских и иранских языков, особенно в Средней Азии, где персидское «диль» легко срасталось с арабскими основами.

Фамилия образована по русской модели патронимического суффикса -ов: от отчества Дильмухамедович (или напрямую от имени отца Дильмухамед) сделали фамилию Дильмухамедов. Это типичный случай для XX века, когда в советское время у народов Средней Азии и Казахстана массово русифицировали фамилии, добавляя окончания -ов/-ев к местным именам. В отличие от русских фамилий, где -ов указывает на принадлежность («чей?»), здесь он просто оформляет имя в паспортный стандарт.

География фамилии почти полностью привязана к Казахстану, Узбекистану, Киргизии и татарским регионам России. Встречается и среди башкир, и у каракалпаков. В русских переписях Дильмухамедовы редки — фамилия не вышла за пределы национальных республик в большом числе. Интересная деталь: в дореволюционных метрических книгах такой фамилии практически нет, потому что у мусульманских народов фамилий в европейском смысле не существовало — люди обходились именем и именем отца. Дильмухамедовы — это результат советского паспортного учёта 1930-х годов, когда каждому потребовалась «фамилия по отцу».

Варианты написания — Дильмухамедов, реже Дилмухамедов (с одной «л») или Дильмухаммедов (с удвоенной «м»). Двойное «м» — попытка точнее передать арабское написание имени Мухаммад, но в русской транскрипции чаще закрепилась форма с одной «м». Сравните с однокоренными фамилиями: Мухамедов, Дильманов, Мухамеджанов — все они образованы от тех же корней, но с разными суффиксами и композитами.

Носитель фамилии, скорее всего, происходит из семьи, где дед или отец носил имя Дильмухамед. Это имя давали в честь пророка, но с поэтическим оттенком — не просто «раб Мухаммеда», а «сердце Мухаммеда». В тюркской традиции такие имена считались благословенными и защищающими ребёнка.