Фамилия Гильмулин образована от мужского имени Гильмула — одного из вариантов имени Гильмулла. В переводе с арабского оно означает «наука Аллаха». Такое имя давали мальчику с пожеланием, чтобы он вырос мудрым и стал достойным мусульманином. Сама форма Гильмула — это результат адаптации сложного арабского имени в тюркской среде, где конечный гласный «-а» закрепился как упрощённый вариант.

Фамилия построена по самой распространённой в Поволжье и Приуралье модели: к основе на гласный добавляется русский патронимический суффикс -ин. Изначально Гильмулин означало «сын Гильмулы» или «потомок Гильмулы». Эта словообразовательная схема типична для татарских и башкирских фамилий, которые оформлялись русским суффиксом при записи в метрические книги и ревизские сказки.

Корень имени — «гильм» (знание, наука) — входит в состав многих мусульманских имён, но сочетание с «улла» (Аллаха) встречается реже, чем, например, с «дин» (вера) или «бай» (богатый). Поэтому фамилия Гильмулин стоит несколько особняком среди таких однокоренных, как Гильманов или Гильмутдинов. Встречается она преимущественно у татар и башкир, особенно в Татарстане, Башкортостане и соседних областях.

Сведений о сословной принадлежности носителей фамилии в прошлом мало, но по модели образования можно предположить, что предки были крестьянами или мещанами — именно в этих средах фамилии на -ин от личных имён закрепились массово. В дворянской среде татарского происхождения чаще встречались фамилии на -ев или -ский.