Фамилия Гильмиев — тюркская по происхождению, а точнее татарская или башкирская. Её основа — арабское имя Гильми (Гыйльми), которое в переводе означает «учёный», «знающий», «обладающий знанием». В исламской традиции это имя восходит к одному из эпитетов, подчёркивающих стремление к науке и образованности. Таким образом, первый носитель фамилии, скорее всего, был человеком, получившим имя Гильми при рождении или как прозвище за свою учёность.

Русский суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягких согласных) присоединился к основе в процессе русификации фамилии. Это стандартная модель для тюркских фамилий, вошедших в русский обиход: к имени или прозвищу добавляли патронимический суффикс, означающий «сын» или «принадлежащий». В данном случае Гильмиев — «сын Гильми». Встречается также вариант написания Гильмиёв (с буквой «ё»), но он менее распространён и часто возникает из-за ошибочной постановки ударения.

Географически фамилия сосредоточена в Татарстане, Башкортостане и в регионах с компактным проживанием татар, например в Оренбургской и Челябинской областях. Встречается она нечасто, что говорит о её относительно позднем закреплении — скорее всего, в XIX веке, когда у крещёных и мусульманских народов Поволжья начали массово фиксировать фамилии по документам.

Стоит отметить, что фамилия Гильмиев имеет прямое родство с более известной фамилией Гильманов. Обе образованы от арабского корня «илм» (знание), но от разных форм имени: Гильми — краткая, а Гильман — более полная, с аффиксом -ан. В некоторых семьях эти фамилии могли сосуществовать как варианты одного родового имени, что нередко путает исследователей.