Фамилия Гилимшинов образована от тюркского имени Гилимша (вариант — Галимша), где первая часть восходит к арабскому «алим» — знающий, учёный, а вторая — к персидскому «шах» (господин, владыка). В буквальном смысле имя Гилимша означает «владыка знаний» или «учёный государь». Подобные составные имена с компонентом «шах» (Алимша, Абдулша, Бахтиша) были распространены у татар, башкир и других тюркоязычных народов Поволжья и Приуралья, особенно в среде мусульманского духовенства и грамотных людей.

Русский суффикс -ов оформляет фамилию по стандартной модели «чей сын?»: Гилимшинов — потомок Гилимши. Фонетическая особенность — переход начального «а» в «и» (Алимша → Гилимша). Такая замена встречается в диалектах татарского и башкирского языков, где звук «а» в начале слова может произноситься как нечто среднее между «а» и «ы», что при записи давало вариант с «и». Встречаются также формы Галимшинов, Алимшинов — они отражают исходное произношение.

Географически фамилия привязана к южному Уралу и Зауралью: большинство носителей Гилимшиновых — этнические башкиры и татары из Челябинской, Оренбургской областей и Башкортостана. В метрических книгах XIX века фамилия фиксируется в деревнях Аргаяшского и Кунашакского районов. Поскольку имя Гилимша давали не случайно, а с расчётом на учёность, предки Гилимшиновых могли быть муллами, учителями при медресе или переписчиками книг — людьми, для которых знание было профессией и социальным статусом.

В отличие от многих фамилий на -ов, здесь нет привязки к ремеслу или прозвищу: основа — личное имя с явным книжным оттенком. Это делает фамилию скорее «интеллектуальной» по происхождению, чем «крестьянской» или «служилой».