Фамилия Гильметдинова — женская форма мужской фамилии Гильметдинов, и её разумнее разбирать через мужской вариант. Основа здесь — арабское имя Гильметдин (вариант Гильмутдин), которое состоит из двух корней: «гильм» (знание, наука) и «дин» (вера, религия). В буквальном переводе имя означает «знание веры» или «учёный в делах религии». Это типичное теофорное имя, популярное в мусульманской среде, особенно у татар и башкир.

Модель образования проста: к имени Гильметдин добавили русский патронимический суффикс -ов, который в тюркоязычных фамилиях Поволжья и Приуралья закрепился массово после XVIII–XIX веков, когда началась русификация документов. Таким образом, Гильметдинов — буквально «сын Гильметдина». Окончание -а в женской форме указывает на принадлежность роду: жена или дочь Гильметдинова.

Интересная деталь: несмотря на то что имя Гильметдин арабское, фамилия почти не встречается в арабских странах. Она — продукт российской имперской бюрократии, когда мусульманам Волго-Уральского региона записывали фамилии по отцу с русскими суффиксами. Поэтому географически фамилия Гильметдинова сконцентрирована в Татарстане, Башкортостане, а также в Оренбургской и Челябинской областях, откуда шла миграция татарского населения.

С точки зрения социальной истории, носители этой фамилии — потомки людей, чьи предки были либо муллами, либо просто верующими, получившими имя в честь религиозного знания. В крестьянской среде такие имена давали нередко, так что аристократического или купеческого оттенка у фамилии нет — она массовая и демократичная.

В написании возможны варианты: Гильмутдинова (через «у») — это фонетическая адаптация того же имени в татарском произношении. Оба варианта восходят к одному корню, и разница лишь в диалектной огласовке.