Фамилия Гилемшин — наглядный пример того, как тюркское имя становится русской фамилией через типичный для Поволжья суффикс. Основа здесь — мужское имя Гилемша, которое в свою очередь сложено из двух арабских корней: «гилем» (знание, наука) и «ша» (сокращение от «шах» — господин, владыка). Имя Гилемша, таким образом, означает «господин знания» или «владыка учёности» — довольно высокий смысл, который давали ребёнку с надеждой на его ум и образованность.

Модель образования проста и прозрачна: к основе Гилемш- добавляется русский патронимический суффикс -ин, который в фамилиях указывает на принадлежность («чей?» — Гилемшин, то есть сын Гилемши). Это стандартный способ русификации татарских и башкирских имён, когда фамилия закреплялась за потомками человека с таким именем. Важно не путать с фамилиями на -ов/-ев: суффикс -ин чаще встречается у основ, оканчивающихся на -а или мягкий согласный, что как раз подходит под имя Гилемша.

Географически фамилия Гилемшин — почти стопроцентный маркер татарского или башкирского происхождения, особенно распространена в Татарстане, Башкортостане и соседних областях. Встречается и вариант написания с одной «л» — Гилемшин, но исходная форма с удвоенной «л» точнее передаёт арабскую графику имени. В дореволюционных метрических книгах можно найти и написание через «ѣ» — Гилѣмшин, что отражает старую орфографию.

В сословном плане носители фамилии относились в основном к государственным крестьянам или мещанам — типичная среда татарского населения, где фамилии на -ин закрепились в XIX веке после всеобщей паспортизации. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что тоже характерно: это фамилия простых людей, чей предок когда-то носил имя с книжным, учёным значением.