Фамилия Гильмияиов — редкий случай, когда написание почти полностью выдает происхождение, но оставляет простор для догадок о точном значении. Судя по структуре, это классическая русская фамилия, образованная от тюркского или арабо-тюркского имени. Основа «Гильмияи» или «Гильмияй» — это вариант личного имени, а суффикс «-ов» указывает на принадлежность («чей?» — сын Гильмияя).

Корень «Гильми» восходит к арабскому слову «ильм» (знание, наука). В татарской и башкирской ономастике распространены имена с этим корнем: Гильми, Гильметдин, Гильминур. Частица «яи» или «яй» в середине слова может быть искажением аффикса принадлежности или диалектным вариантом. Более правдоподобная версия: исходное имя — Гильмияр (от «яр» — друг, близкий человек) или Гильмияз (от «яз» — пиши, сочиняй). В разговорной речи имя могло редуцироваться до формы «Гильмияй», а от неё уже образовалась фамилия.

Географически фамилия тяготеет к Волго-Уральскому региону, особенно к территориям расселения татар и башкир. Встречается она редко — это не массовая фамилия вроде Иванова, а локальная, что говорит о сравнительно недавнем закреплении за одним родом. Скорее всего, предок носителя фамилии был грамотным человеком: учителем, муллой или писарем, раз его имя связывали со знанием и письмом.

Написание «Гильмияиов» (с буквой «и» между «я» и «о») — орфографическая особенность, возникшая при русификации. В метрических книгах или переписных листах XIX века арабскую вязь передавали на слух, и буква «й» на стыке корня и суффикса могла превратиться в «и» для благозвучия. Встречаются варианты «Гильмияев» и «Гильмияров», но форма с «-иов» — самая редкая и характерная именно для этой ветви рода.