Фамилия Гильмутдинов образована от арабского составного имени Гильмутдин. Первая часть имени — «гильм» (или «гилем») переводится как «наука, знание, просвещение». Вторая часть — «дин» — означает «вера, религия». Вместе имя Гильмутдин значит «наука религии» или «знание о вере». Такое имя давали мальчикам с пожеланием, чтобы они стали глубоко верующими и образованными мусульманами. Фамилия строится по обычной для тюркских и татарских фамилий модели: к основе Гильмутдин добавляется русский патронимический суффикс -ов, указывающий на принадлежность потомку человека с этим именем. То есть Гильмутдинов буквально означает «сын Гильмутдина».

Фамилия типична для татар и башкир, широко распространена в Поволжье, особенно в Татарстане и Башкортостане. Встречаются варианты написания с одной «л» — Гильмутдинов, а также формы без суффикса, например Гильмутдинов у русскоязычных носителей практически не меняется. Интересно, что имя Гильмутдин — не единственное в этом ряду: однокоренные фамилии Гильманов, Гильмуллин, Гильфанов образованы от тех же арабских корней «гильм» и «дин», но в разных сочетаниях. Таким образом, носители фамилии Гильмутдинов — потомки человека, чьё имя подчёркивало связь знания и веры, что было особенно важно в мусульманской среде Волго-Уралья.