Фамилия Гнилкина образована от прозвища или нецерковного имени Гнилка. В основе лежит прилагательное «гнилой». На первый взгляд значение кажется однозначно негативным, но в русской ономастике такие прозвища часто имели обережный, охранительный смысл. Считалось, что если назвать ребёнка «плохим» именем — Гнилкой, Гнилушей, — то злые силы не позарятся на него, а настоящая судьба сложится удачно. Кроме того, прозвище могло относиться к взрослому человеку и указывать на внешность (болезненный вид), характер (вялый, медлительный) или род занятий.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: Гнилкина — это «дочь (или жена) Гнилки». В русской фамильной системе женская форма на -ина исторически вторична по отношению к мужской Гнилкин. Мужская фамилия, в свою очередь, типична для северных и центральных регионов России, где был распространён именно суффикс -ин, а не -ов/-ев. Встречается фамилия и в украинском контексте, но там чаще встречается форма Гнилко.

Интересна параллель с фамилией Гнилорыбов, где вторая часть прозрачно указывает на занятие — торговлю или ловлю рыбы. Гнилкин же стоит особняком: она не описывает профессию, а даёт характеристику. Скорее всего, предок носителя фамилии получил прозвище в быту, и оно закрепилось за его потомками. Ономастический словарь Б. Унбегауна относит такие фамилии к группе образованных от прилагательных, описывающих физические или моральные качества, причём с возможным обережным подтекстом.

Географически фамилия Гнилкина не привязана к одной области — она встречается и в центральных регионах России, и в Поволжье. В архивных записях XVIII–XIX веков могли фигурировать крестьяне или мещане, но сословная принадлежность для этой фамилии не является определяющей. Единственное, что можно сказать уверенно: происхождение фамилии — народное, не от церковного имени, а от прозвища, которое дали в деревне или слободе.