Фамилия Гнилевская образована по типичной для польского, украинского и белорусского дворянства модели: основа + суффикс -ск-/-цк- и окончание -ая (женский род). Мужской вариант — Гнилевский. Такая модель указывала на принадлежность к месту или владению, поэтому первым носителем (Гнилевским) мог быть помещик, владевший деревней Гнилево, Гнилово или Гнильцы. Такие топонимы встречаются на западе современной России, в Беларуси и на Украине — например, село Гнилево в Тверской области или Гнильцы в Витебской.

Корень «гнил-» в славянских языках многозначен. Самое прямое значение — «гнилой, испорченный». В названиях поселений это не обязательно указывало на запустение: часто так называли сырые, топкие места, болотистые низины, где вода застаивалась и «гнила». То есть Гнилевские — выходцы из такой местности, а не потомки «гнилого» человека.

Менее очевидная, но возможная версия — прозвищная основа. В славянской ономастике встречаются прозвища Гнила, Гнилой, которые давали не в обиду, а по внешнему признаку (бледный, болезненный вид) или по характеру (вялый, медлительный). От такого прозвища могли образовать фамилию Гнилевский, но это менее вероятно: суффикс -ск- редко присоединяли к личным прозвищам, он типичен именно для географических названий.

В XIX веке фамилия Гнилевский/Гнилевская встречалась среди мелкопоместной шляхты западных губерний Российской империи (Могилёвская, Витебская, Киевская) и у крестьян, получивших фамилию по названию деревни при отмене крепостного права. Встречается и сейчас, но нечасто — это редкая фамилия с чёткой географической привязкой к западу славянского мира.