Фамилия Гилемханова — это прежде всего женская форма от фамилии Гилемханов, и её разбор стоит начать с мужского варианта, который образован по тюрко-персидской модели. В основе лежит сложное имя Гилемхан, где первая часть «Гилем» (возможная передача арабского ‘ильм — «знание», «наука») или восходит к тюркскому корню со значением «учёный», «грамотный». Вторая часть «хан» — классический тюрко-монгольский титул, который в составе личных имён у татар и башкир часто терял прямое значение «властителя» и служил компонентом, подчёркивающим статус или просто благозвучное завершение имени.

Словообразовательная модель проста: к основе имени Гилемхан добавили русский патронимический суффикс -ов, который у тюркских народов Поволжья и Приуралья закрепился как основной способ оформления фамилий. Суффикс -а в конце указывает на женскую линию: Гилемханова — «дочь или жена Гилемхана». Такая модель — калька с русского: сначала фамилию получал мужчина, а для женщин форма менялась окончанием.

Географически фамилия Гилемханова почти наверняка указывает на татарское или башкирское происхождение. Сложные имена с компонентом «хан» особенно характерны для казанских татар, мишарей и западных башкир. В дореволюционной переписи такие фамилии нередко встречались в Казанской, Уфимской и Оренбургской губерниях. Социальный контекст: носители имени Гилемхан могли быть из среды мулл, учителей (мугаллимов) или зажиточных крестьян, так как компонент «ильм» подразумевал грамотность и уважение к знанию, хотя прямых доказательств сословной принадлежности по одной фамилии нет.

Редкость фамилии в том, что она сохранила полную форму имени без усечения или русификации. В отличие от более частых Гильмановых или Гильфановых, где основа могла сократиться, здесь имя Гилемхан записано почти целиком. Это говорит о том, что фамилия возникла сравнительно поздно, в XIX веке, когда переписчики уже не переделывали тюркские имена на русский лад, а фиксировали их близко к произношению.