Фамилия Гильмеева — редкий случай, когда корень почти наверняка тюркский, а суффикс — русский, но вот с самим корнем не всё так просто. Основа «Гильме-» восходит к татарскому или башкирскому имени Гильме (Гилме, Гельме), которое, в свою очередь, образовано от арабского «‘илм» — «знание». В мусульманской традиции это имя давали с пожеланием, чтобы ребёнок вырос учёным, знающим человеком. Фамилия образована по русской модели: к основе добавили суффикс притяжательности -ев (фонетический вариант -ов после мягких согласных), и получилось «сын Гильме» или «из семьи Гильме». Женская форма Гильмеева — естественное окончание для носительницы фамилии.

Географически фамилия привязана к Волго-Уральскому региону. Она распространена среди татар и башкир, особенно в Татарстане, Башкортостане, а также в Оренбургской и Челябинской областях. Встречается и у мишарей. Если предки были крещёными татарами (кряшенами), фамилия могла закрепиться раньше, ещё в XVIII веке, когда кряшены массово получали русские фамилии от имён отцов.

Словообразовательная модель здесь примечательна тем, что суффикс -ев присоединяется к основе, оканчивающейся на гласный (Гильме-). В русской ономастике это стандартный случай для имён на -а или -я, но татарское имя Гильме звучит с ударением на второй слог, и фамилия сохраняет это ударение: Гильме́ева. Встречается и вариант с ударением на первый слог, но он менее характерен для тюркских основ.

В отличие от многих фамилий, где корень спорен (например, от прозвища или профессии), здесь всё прозрачно: это «патроним» — фамилия от личного имени. Двойных толкований практически нет. Можно было бы предположить связь с диалектным словом «гиль» (ерунда, чепуха в некоторых говорах), но это маловероятно: ареал бытования фамилии — тюркоязычная среда, где арабский корень «знание» гораздо убедительнее, чем русское просторечие. Так что предки Гильмеевых — люди, чей родоначальник носил имя, означавшее «знающий», «учёный», что для крестьянской или служилой среды было скорее пожеланием, чем констатацией факта.