Фамилия Гилмханов — редкий случай, когда исходное имя почти полностью сохранилось в неизменном виде, а русский суффикс лишь оформил его как фамилию. В основе лежит сложное мусульманское имя Гилмхан (встречаются варианты Гильмхан, Гельмхан). Оно состоит из двух арабских корней: «гилм» (знание, наука) и «хан» (правитель, повелитель). В буквальном переводе Гилмхан означает «повелитель знания» или «владыка учёности» — имя с высокой семантикой, которое давали с пожеланием мудрости и авторитета.

Фамилия образована по продуктивной модели на -ов, типичной для русских фамилий тюркского и арабо-персидского происхождения. Суффикс -ов присоединился к основе Гилмхан, превратив личное имя в наследственное родовое прозвание: Гилмханов — «сын (или потомок) Гилмхана». Такое оформление характерно для фамилий, которые возникли в среде татар, башкир и других народов Поволжья и Урала в XIX — начале XX века, когда происходила массовая русификация имён через добавление русских патронимических суффиксов.

Географически фамилия тяготеет к регионам традиционного проживания татар и башкир — Татарстану, Башкортостану, а также к соседним областям (Оренбургская, Челябинская, Самарская). Встречается и у казахов, хотя реже. В дореволюционных метрических книгах и ревизских сказках Гилмхановы могли записываться и без окончания — просто как Гилмхан, что говорит о недавнем закреплении фамилии в письменных источниках.

В отличие от фамилий, образованных от прозвищ или профессий, Гилмханов напрямую отсылает к имени основателя рода. Это имя не было широко распространённым даже в мусульманской среде, поэтому фамилия остаётся довольно редкой. Её носители, скорее всего, происходят из среды духовенства или зажиточных крестьян, где грамотность и уважение к знанию ценились особенно высоко — иначе имя с таким смыслом вряд ли дали бы.