Фамилия Гильмитов — редкий пример, в котором отчётливо слышен тюркский корень, но способ её оформления выдает русскую канцелярскую традицию XIX века. Если отбросить окончание -ов, которое в русских фамилиях указывает на принадлежность («чей?»), остаётся основа «Гильмит». Она восходит к арабскому имени Гильметдин (Гильмутдин) — сложению слов «ильм» (знание) и «дин» (вера), то есть «знание веры» или «учёный в религии». В татарской и башкирской среде это имя было распространено в форме Гыйльмет, от которой через русское делопроизводство и пошла фамилия.

Особенность здесь — в суффиксе. В тюркских фамилиях, адаптированных в русской среде, чаще встречаются формы на -ов от имён без дополнительного элемента: скажем, Гильметов или Гильмутдинов. Вариант «Гильмитов» предполагает, что в документах имя записали как «Гильмит» — либо из-за местного произношения с редукцией гласного (Гильмит вместо Гильмет), либо по аналогии с русскими именами на -ит (Митрофан — Митрофанов). Такое написание встречается в Поволжье, особенно у татар-мишарей и в некоторых группах башкир, где русские переписчики фиксировали звуки на слух.

Сословно носители фамилии почти наверняка относились к государственным или ясачным крестьянам — в дворянских родословных книгах эта фамилия не фиксируется. В метрических книгах XIX века Гильмитовы встречаются в Казанской, Уфимской и Оренбургской губерниях, чаще всего в деревнях с татарским или смешанным населением. Прозвищного значения у фамилии нет: она «патронимическая», то есть образована от имени отца, которое, в свою очередь, несло религиозно-почётный смысл. Сегодня фамилия остаётся малочисленной и сосредоточена в Татарстане, Башкортостане и Челябинской области.