Фамилия Гильмиева — женская форма, а её основа — мужская фамилия Гильмиев, которая происходит от тюркского имени Гильми. Это имя восходит к арабскому слову «ильм» (знание, наука) и означает «знающий», «учёный». В татарской и башкирской среде имя Гильми (варианты — Гилем, Гыйлем) было довольно популярным: родители давали его сыну с пожеланием ума и тяги к образованию. Соответственно, фамилия Гильмиев буквально означает «потомок Гильми» или «из рода Гильми».

Словообразовательная модель здесь типична для тюркских фамилий, русифицированных суффиксом -ев (по аналогии с русскими фамилиями на -ев). Без этого суффикса фамилия звучала бы как Гильми (по татарской модели «имя отца + улы/кызы»), но при переходе в русский документооборот в XIX–XX веках её «обрусели», добавив окончание. Важно, что фамилия не имеет отношения к христианским именам: её корни — в исламской ономастике, и она распространена прежде всего среди татар, башкир и других тюркоязычных народов Поволжья и Приуралья.

Географически фамилия Гильмиев (и Гильмиева) чаще всего встречается в Татарстане, Башкортостане, а также в Челябинской и Оренбургской областях — регионах компактного проживания татар и башкир. Встречаются также варианты написания с буквой «е» в конце (Гильмиеев) — это результат ошибок при записи в советских паспортных столах, когда одну букву «и» случайно удваивали. Но основная форма именно с одной «и» и суффиксом -ев.

В отличие от многих русских фамилий, образованных от прозвищ по профессии или внешности, Гильмиева — «именная»: она не рассказывает о занятии предка, а указывает на его имя. Это значит, что носитель фамилии — потомок человека, которого звали Гильми. Среди известных носителей фамилии можно назвать татарскую поэтессу и журналистку Фаузию Гильмиеву (работала в советское время), но в целом фамилия не слишком распространена в публичном поле — это скорее «тихая» фамилия, характерная для сельских районов Татарстана.