Фамилия Гильмеев — редкий случай, когда основа почти наверняка не славянская, а тюркская, но сама фамилия сложилась уже на русской почве. Если коротко: её носители — потомки человека по имени Гильме (или Гильмей), а сама фамилия образована по стандартной русской модели с суффиксом -ев.

Разберём ключевой элемент — имя Гильме. Скорее всего, это диалектная или фонетическая форма татарского имени Гилме (от арабского «ильм» — знание, наука). В татарской и башкирской среде распространены имена Гилметдин, Гилман, Гилмехамет, где корень «гильм» означает учёность, грамотность. Имя Гильме могло быть сокращением от подобного сложного имени или самостоятельным прозвищем для грамотного человека, муллы, учителя. Менее вероятна, но возможна связь с тюркским словом «гильме» (знай, умей) — повелительной формой глагола, которая могла стать наказующим именем-пожеланием.

Фамилия образовалась по типичной для XVI–XIX веков схеме: к основе Гильме- добавили русский патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного). Так сына или внука Гильме стали звать Гильмеев — «принадлежащий Гильме». Суффикс указывает, что фамилия закрепилась в среде, где уже перешли на русскую модель именования, но сохранили тюркское личное имя.

Географически фамилия привязана к Волго-Уральскому региону: Татарстан, Башкортостан, Оренбургская и Челябинская области. Это типичная фамилия для татар-мишарей или башкир, которые в XIX веке получали фамилии через русскую канцелярию. Сословно предки Гильмеевых — скорее всего, государственные крестьяне или тептяри (сословие нерусских земледельцев), реже — служилые татары.

Отличительная черта фамилии — её прозрачная «интеллектуальная» основа. В отличие от множества фамилий, образованных от профессий (Кузнецов) или внешних черт (Беляев), Гильмеев прямо отсылает к знанию и учению. Это редкий случай, когда фамилия может указывать не на занятие, а на качество, которое ценили в предке — его грамотность.