Фамилия Гомиленко — характерный пример украинской модели фамилии на -енко. Этот суффикс, один из самых распространенных в украинской ономастике, изначально имел значение «маленький, сын такого-то»: Гомиленко — сын Гомилы. То есть фамилия образована от личного прозвища или имени Гомила.

Корень «Гомил-» неочевиден и вызывает споры. Наиболее правдоподобная версия связывает его с украинским диалектным словом «гоміл» или «гомілка» — голень, часть ноги от колена до ступни. В этом случае прозвище Гомила мог получить человек с длинными, кривыми или чем-то примечательными ногами. Прозвища по частям тела — обычная практика в народной антропонимии: вспомните фамилии Нос, Губа, Лоб. Вторая, менее убедительная версия, возводит основу к глаголу «гомоніти» (шуметь, галдеть), тогда Гомила — говорун или задира, но фонетически этот переход менее естественен, так как «гомін» (шум) дал бы скорее форму Гоминенко.

С географической точки зрения фамилия Гомиленко тяготеет к центральным и восточным регионам Украины, а также к югу России, куда украинские крестьяне активно переселялись в XVIII–XIX веках. Встречается она преимущественно в бывших Екатеринославской, Харьковской и Полтавской губерниях. В списках запорожских казаков или реестровых козаков фамилия не фиксируется, что косвенно указывает на её более позднее, крестьянско-мещанское происхождение.

В русской среде фамилия могла писаться и произноситься с ударением на второй слог — Гомиле́нко, хотя украинская норма подразумевает ударение на третий: Гомиле́нко (впрочем, в разных говорах встречаются варианты). Иногда встречается ошибочное написание с двумя «л» — Гомилленко, но это искажение, не имеющее исторического основания.