Фамилия Гильзова — это женская форма фамилии Гильзов, а та, в свою очередь, образована от прозвища или нецерковного имени Гильз. Само слово «гильза» в русском языке имеет два основных значения: во-первых, это металлическая трубка для патрона (огнестрельного оружия), а во-вторых, в технике и быту — втулка, цилиндрическая деталь с отверстием. Однако прозвище Гильз вряд ли связано напрямую с патроном, потому что огнестрельное оружие в быту крестьян было редкостью, а слово в этом значении вошло в широкий обиход довольно поздно.

Скорее всего, прозвище Гильз относилось к ремесленнику: токарю или кузнецу, который изготавливал втулки, металлические наконечники или мелкие цилиндрические детали для телег, саней или домашней утвари. В русских говорах «гильза» могла называть также трубку, свёрнутую из бересты или жести, — например, для подачи воздуха в кузнечный горн. Человек, работавший с такими деталями, легко получал прозвище Гильз, которое затем закрепилось за его потомками.

Суффикс -ов в основе указывает на типичную русскую модель образования фамилий по отчеству: «чей сын?» — Гильзов, то есть сын Гильза. Фамилия не относится к числу дворянских или именитых, её носители — выходцы из ремесленной или крестьянской среды, скорее всего, из центральных или северных губерний России, где были развиты кузнечное и слесарное дело.

Встречается фамилия и в варианте Гильзев — с менее частым суффиксом -ев, что указывает на основу, оканчивающуюся на мягкий согласный (Гильзь). Но написание через «о» (Гильзов) гораздо распространённее и считается основным. В современных базах данных фамилия довольно редкая, что говорит о её локальном происхождении — вероятно, от одного конкретного рода мастеровых.