Фамилия Ильченко построена по типичной восточноукраинской модели с суффиксом -енко, который в XVI–XVII веках означал «маленький», «сын» или «ученик». Буквально Ильченко — «сын Ильи» или «потомок Ильи». Основа та же, что у имени Илья, которое восходит к библейскому Элиягу (древнееврейское Eliyahu). Значение имени — «мой Бог — Господь» или «мой Бог — Яхве», то есть подчёркивается единобожие.

В быту имя Илья давало множество уменьшительных форм. В основе фамилии лежит не полное имя, а одна из таких обиходных форм — Илька. Это не редкость: суффикс -к(а) в украинской антропонимии часто становился промежуточным звеном между именем и фамилией на -енко. Поэтому Ильченко — это не «сын Ильи» напрямую, а, скорее, «сын Ильки», то есть человека, которого в семье или деревне звали уменьшительно.

Документы подтверждают, что фамилия была распространена в Черниговской и Полтавской губерниях — на традиционной территории формирования украинских фамилий на -енко. В Книге памяти Ставропольского края упоминается Ильченко Данила Иванович, 1870 года рождения, из села Хвостовцы Черниговской губернии. В Книге памяти Хабаровского края — Ильченко Демьян Климентьевич, 1885 года, из села Васильевки Полтавской области. Оба случая показывают, что носители фамилии в конце XIX века были крестьянами или казаками, а фамилия уже тогда не была редкой.

Известный обладатель фамилии — Виктор Леонидович Ильченко (1937–1992), артист эстрады, заслуженный артист РСФСР. Более тридцати лет он выступал в дуэте с Романом Карцевым, и их номера стали классикой советского юмора. Его фамилия — тот же украинский патроним, что и у тысяч других Ильченко, но в истории она закрепилась за конкретным человеком, а не за «сыном Ильки».