Фамилия Гилемзянов происходит от личного имени Гилемзян — составного, как многие тюрко-татарские имена. В основе лежит арабское «гилем» (наука, знание, просвещение) и персидское «джан» (душа, человек). Буквально имя Гилемзян означает «высокообразованный человек» или «человек знания». Это пожелательное имя: родители, называя так сына, желали ему стать учёным, мудрецом, добиться уважения через знания.

Имя Гилемзян — фонетический вариант более ранней формы Гилемджан. В живой речи конечное «дж» в тюркских языках часто переходило в «з», поэтому Гилемджан превратился в Гилемзян. Такое озвончение согласного — характерная черта татарской и башкирской антропонимии.

Фамилия образована по стандартной русской модели с суффиксом -ов, который присоединяли к именам, оканчивающимся на согласный: Гилемзян → Гилемзянов. В буквальном смысле фамилия означает «сын Гилемзяна» или «потомок Гилемзяна». Она закрепилась в среде татар и башкир, где составные имена с компонентами «гилем» и «джан» были распространены.

Географически фамилия Гилемзянов встречается преимущественно в Татарстане, Башкортостане и среди татарской диаспоры. По происхождению — это фамилия мусульманская, восходящая к арабо-персидской культурной традиции. В отличие от многих русских фамилий, она не связана с ремеслом или прозвищем, а напрямую указывает на личное имя предка, которое несло в себе пожелание ума и образованности.