Фамилия Гильхаев — редкий случай, когда географический и языковой ареал сужает поиск до одной конкретной версии, почти не оставляя простора для гаданий. Она явно не из центральной России, не из «чисто» русских фамилий на -ов, образованных от православных имён. Её корни — на Северном Кавказе.

Основа фамилии — личное имя Гильха (Гилха). Это вайнахское (чеченское или ингушское) имя. В чеченском языке «гил» (гӀил) означает «волк», а «ха» — суффикс, образующий имя. Получается буквально «Волк» или «Волчонок». Имя-оберег, распространённое у многих народов Кавказа: давая ребёнку имя хищного зверя, родители верили, что его сила и хитрость перейдут к мальчику, а злые духи, наоборот, испугаются такого имени. Чеченский суффикс -ха (-хьа) часто встречается в старых именах (например, Борха, Солса).

Суффикс -ев в конце — это уже русская адаптация, типичная для фамилий народов Кавказа, вошедших в состав Российской империи. Когда в XIX–XX веках чеченцам и ингушам начали массово давать фамилии по русскому образцу, к отцовскому имени добавляли патронимический суффикс -ов/-ев. Так Гильха стал Гильхаевым: «сын Гильхи».

Географически фамилия привязана к Чечне и Ингушетии, особенно к горным и предгорным районам, где сохранялись родовые имена-прозвища. Встречается она и у кумыков (Дагестан), так как у них тоже есть имя Гилхай, но с другим значением — от тюркского «киль» (приходи) и «ай» (луна), то есть «родившийся в новолуние». Однако для чеченского варианта связь с «волком» надёжнее подтверждается и ономастикой, и местной традицией.

Единственная орфографическая тонкость: в документах XIX века фамилию могли записать через «о» — Гильхаев, Гильхоев, а в советских паспортах закрепился вариант через «а». Ударение ставится на второй слог: Гильха́ев.