Фамилия Гилмитдинова хранит память о мужском имени, от которого она образована, — Гилмитдин. Это диалектальный вариант арабского имени Гильметдин, которое состоит из двух частей. Первая — «гильми», что переводится с арабского как «образованный, обладающий большими знаниями». Вторая — «ад-Дин», характерный компонент многих мусульманских имён, означающий «подлинно верующий» или «религия». Таким образом, имя Гилмитдин дословно означает «знающий веру», то есть религию.

Нарекая сына таким именем, родители желали ему стать достойным мусульманином — в традиционном обществе, где религии придавалось огромное значение, это было естественным пожеланием. Потомок человека по имени Гилмитдин со временем получил фамилию Гилмитдинова.

С точки зрения словообразовательной модели, фамилия образована с помощью патронимического суффикса -ов, который в русской традиции указывает на принадлежность («чей?» — потомок Гилмитдина). Окончание -а — типичный показатель женского рода в русском языке, однако фамилия может относиться и к мужчине, и к женщине, а её разбор показывает, насколько тесно тюрко-мусульманские имена вплелись в русскую фамильную систему.

Фамилия редкая, её географическое бытование связано преимущественно с регионами Поволжья и Приуралья, где традиционно сильны татарские и башкирские корни. В отличие от распространённых русских фамилий на -ов, основа Гилмитдинова не имеет славянской этимологии, что делает её ценным маркером культурного и религиозного контекста предков.