Фамилия Двилев — одна из тех, что ставит перед исследователем загадку. В ней нет очевидного суффикса -ов/-ев, который обычно указывает на отчество от имени или прозвища на -а/-я (Иван → Иванов). Здесь основа «Двил» — редкая, и её происхождение приходится восстанавливать по косвенным данным.

Скорее всего, Двилев — это вариант фамилии Двиняев или Двинцев, образованной от названия реки Северная Двина. В русской ономастике известен процесс усечения основы: жителя с Двины могли прозвать «Двиля» (от «двинский» с характерным для народной речи смягчением), а от этого прозвища уже пошла фамилия через суффикс -ев. Такое стяжение встречается нечасто, но оно объясняет и редкость фамилии, и её географическую привязку — к Русскому Северу, Архангельской и Вологодской губерниям.

Вторая версия, менее вероятная, отсылает к диалектному глаголу «двилять» — то есть вилять, уклоняться, хитрить. В некоторых говорах «двиля» означало уклончивого человека. Однако фамилии от глагольных основ с суффиксом -ев встречаются реже, и обычно они бытовали в форме прилагательного («Двилявый», «Двиляев»), а не краткого «Двилев». Поэтому версия с гидронимом (названием реки) выглядит убедительнее.

Фамилия Двилев — редкая. По переписям XIX — начала XX века она встречается точечно, преимущественно в северных уездах, что подтверждает первую гипотезу. Сословный состав носителей неоднороден: среди Двилевых были и государственные крестьяне, и мещане, но дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.

Однокоренные фамилии — Двинский, Двинцев, Двиняев. Двилев стоит в этом ряду особняком из-за редкой модели образования: не от полного названия реки, а от прозвища, которое возникло на месте. Это как раз тот случай, когда фамилия хранит не имя предка, а его малую родину, но в сокращённой, почти неузнаваемой форме.