Фамилия Гильгенберг — потомок немецкого географического прозвища, которое сложилось из двух корней. Первая часть восходит к слову hilgen, что по-немецки значит «святой», вторая — Berg («гора»). Таким образом, прозвище Гильгенберг скорее всего получил человек, живший у места, которое называли Святая Гора. Это мог быть и реальный холм с часовней, и просто заметная возвышенность, освящённая в народной памяти.

Есть и другая версия, менее распространённая, но тоже имеющая право на существование. Первая часть прозвища могла произойти от слова Gilge — «лилия». В этом случае прозвище указывало бы на местность, где в изобилии росли эти цветы, или на дом, украшенный изображением лилии. Обе гипотезы — и «святая гора», и «лилия» — не противоречат немецкой ономастике, но первая (с hilgen) встречается в топонимах чаще.

Кроме того, фамилия могла быть не прозвищной, а чисто топонимической: её мог получить уроженец австрийского городка Гильгенберг-на-Вайльхарте. Такие фамилии, образованные от названия места рождения или жительства, — обычное дело для немецкоязычных переселенцев, которые в разное время оказывались в России.

Модель образования фамилии — чисто немецкая, без русских суффиксов. Она не склоняется по падежам и сохраняет исходное звучание. В России носители фамилии Гильгенберг встречаются редко, в основном среди потомков поволжских немцев и переселенцев с запада империи. По сословной принадлежности предки могли быть и крестьянами-колонистами, и городскими ремесленниками, и людьми духовного звания — фамилия не даёт однозначной подсказки, кроме того, что её корни лежат в немецкой языковой среде.