Фамилия Гильмугаянов — тюрко-персидского происхождения, и её основа — сложносоставное мужское имя Гильмугаян. Это имя, в свою очередь, распадается на две части: «гильм» (от арабского «ильм» — знание, наука) и «гаян» (от арабского «гаян» — явный, очевидный, или же «гаян» как форма имени Гаян, означающего «богатый», «красивый»). Таким образом, имя Гильмугаян можно перевести как «явное знание» или «знание, ставшее очевидным». В мусульманской традиции такие имена давали с пожеланием, чтобы человек был носителем и распространителем знаний.

Фамилия образована по русской модели: к основе имени добавили патронимический суффикс -ов. Это стандартный способ русификации тюркских и арабских фамилий в XIX–XX веках, особенно в среде татар и башкир. То есть буквально Гильмугаянов — это «сын Гильмугаяна», «потомок того, кого звали Гильмугаян».

Географически фамилия тяготеет к Волго-Уральскому региону. Она типична для татар (особенно казанских и мишарских) и башкир. Встречается в Татарстане, Башкортостане, а также в Оренбургской и Челябинской областях. Это не случайно: именно в этих краях была распространена традиция давать детям составные арабо-персидские имена с благочестивым смыслом, а затем оформлять их в фамилии с русским окончанием.

Любопытная деталь: в отличие от более частых фамилий на -ов от простых имён (например, Гильманов от Гильми), форма Гильмугаянов сохранила полное двухкорневое имя. Это указывает на то, что предок носителя фамилии был назван именно полным, «книжным» именем, а не его сокращённым вариантом. В крестьянской среде такие длинные имена встречались реже, чем в среде мулл и зажиточных торговцев, поэтому можно предположить, что основатель рода был человеком грамотным или духовного звания.

Встречаются и варианты написания — Гильмугаянов, реже Гильмугаянов. Ударение в фамилии обычно падает на последний слог, но в бытовой речи в самой России часто смещается на третий с конца (Гильмугая́нов).