Фамилия Гилемзянова образована от мужского имени Гилемзя́н, а оно, в свою очередь, — составное. Первая часть восходит к арабскому «‘илм» — знание, наука. Вторая — к персидскому «джан» — душа, жизнь. В сумме имя означает «душа знания» или «живущий знанием». Это типичная для татарской и башкирской ономастики модель, где к основе, прославляющей достоинства (ум, веру, силу), добавляют компонент «джан/зян», делающий имя ласкательным или возвышенным. Встречаются варианты Гилемжан, Гильмжан, но в русской записи фамилия закрепилась именно как Гилемзянов.

Фамилия — патронимическая, то есть указывает на отца. Суффикс -ов (в женском роде -а) — стандартный для русского оформления тюркских фамилий, он заменяет татарский патронимический формант «улы/оглы» (сын). Поэтому Гилемзянова — буквально «дочь Гилемзяна». Такая модель стала массовой после XVI–XVII веков, когда татарская знать и служилые люди переходили в русское подданство и получали фамилии по отцу по русскому образцу. Позже, в XIX–XX веках, фамилия закрепилась и у крестьянского татарского и башкирского населения.

Географически фамилия тяготеет к территориям исторического расселения татар и башкир: Татарстан, Башкортостан, а также Оренбургская, Челябинская, Самарская области. Встречается и у мишарей (татар-мишарей) в Нижегородской и Пензенской областях. Поскольку имя Гилемзян было достаточно распространённым в мусульманской среде Поволжья и Приуралья, носители фамилии не принадлежали к какому-то одному сословию — среди предков могли быть и муллы (грамотные люди, знатоки Корана), и ремесленники, и крестьяне.

Редкий случай: в отличие от многих татарских фамилий, оканчивающихся на -ов/-ев, здесь ударение в исходном имени падает на последний слог — Гилемзя́н, а в фамилии — на второй слог: Гилемзя́нова. Это часто сбивает при склонении в устной речи. В документах встречаются написания с одной «з» (Гилемянов) или с заменой «е» на «ё», но нормативная фиксация — через «е» и с двумя «з»: Гилемзянов.