Фамилия Гилемхановы происходит от татарского мужского имени Гилемхан. Это составное имя, где первая часть «гилем» восходит к арабскому слову «’ильм» — знание, наука, а вторая часть «хан» — тюркский титул, обозначавший вождя, правителя. Таким образом, имя Гилемхан буквально означает «учёный хан» или «повелитель знаний». Фамилия образована по русской модели с патронимическим суффиксом -ов, характерным для фамилий татарского и башкирского происхождения: Гилемхан → сын Гилемхана → Гилемханов.

В отличие от распространённого мнения, связывающего такие фамилии напрямую с Золотой Ордой или половцами, корни имени Гилемхан лежат скорее в мусульманской культуре Поволжья и Приуралья. Арабское слово «’ильм» проникло в тюркские языки вместе с исламом, поэтому имя могло появиться не ранее XI–XII веков, а активное бытование получило в среде татарских и башкирских мурз и духовенства в XVI–XIX веках. Титул «хан» в этом контексте — не столько указание на реальную власть, сколько пожелание благородства и высокого положения.

Фамилия Гилемхановы — редкая. Она почти не встречается за пределами Татарстана, Башкортостана и соседних регионов, где традиционны арабо-тюркские имена. Её носители, скорее всего, происходят из среды образованных мусульман: мулл, учителей медресе, книжников. Сама фамилия — не дворянская в российском понимании, а отражает сословную принадлежность к духовному или торговому слою татарского общества.

Словообразовательная модель проста и прозрачна: основа Гилемхан + суффикс -ов. Встречаются варианты написания с одной «н» — Гилемханов, что связано с орфографическими колебаниями при русификации. Ошибочно считать фамилию производной от тюркского «гилем» в значении «наука» напрямую: это именно имя, а не прозвище.