Фамилия Гилметдинов — наглядный пример того, как тюркское имя, пройдя через русскую модель фамилии, закрепилось в документах. Её основа — арабское по происхождению имя Гилметдин (варианты: Гельметдин, Гильметдин). Оно составное: «гилм» (знание, наука) и «дин» (вера, религия). Вместе имя означает «знание веры» или «светоч религии». Такие имена были распространены в среде мусульманского духовенства и образованных людей Поволжья и Приуралья — татар, башкир, частично казахов.

Русский суффикс -ов превратил имя отца в фамилию сына: «Гилметдинов» буквально значит «потомок Гилметдина». Форма с -ов, а не с татарским -ов/ -ев, говорит о том, что фамилия оформлялась уже в русскоязычной среде, скорее всего в XIX веке, при переписях и ревизиях. Более архаичный вариант — Гилметдинов — с ударением на второй слог, но в быту часто смещается ударение на последний.

Географически фамилия плотно привязана к Татарстану, Башкортостану и соседним регионам — Оренбургской, Ульяновской областям. Встречается и у сибирских татар. Среди носителей немало людей, чьи предки были муллами, учителями при медресе или просто грамотными крестьянами, так как имя Гилметдин давали в семьях, ценивших образование.

Сложность анализа в том, что имя Гилметдин иногда путают с похожим Гильметдин (от «гильм» — знание, тот же корень). Разница в написании — результат особенностей татарского произношения и записи арабских слов кириллицей. Оба варианта считаются однокоренными, но фамилия Гилметдинов — более прямая, без вставного «ь». Встречаются редкие варианты написания через «е» — Гелметдинов, что отражает местный говор.

Сословно предки Гилметдиновых чаще всего относились к государственным крестьянам или тептярям (сословие в Башкирии, платившее подати), реже — к купечеству. Дворянских корней у фамилии нет, так как она типично народная, мусульманская, не связанная с пожалованием дворянства Российской империей.