Фамилия Ильчева образована от мужского имени Ильча — одной из обиходных форм канонического имени Илья. В основе Ильи лежит древнееврейское имя Элияху, которое переводится как «мой Бог — Господь», то есть «мой Бог — Бог истинный». От этого имени в русской народной среде возникло множество уменьшительных и производных вариантов: Илюха, Илюша, Илька, Ильча. Последняя форма — Ильча — и стала непосредственной основой фамилии.

Фамилия построена по простой и распространённой модели: к основе Ильч- добавлен суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Ильчев, то есть сын, потомок Ильчи). Окончание -а в современной записи — это грамматический показатель женского рода, но сама фамилия могла изначально принадлежать женщине либо закрепиться в форме родительного падежа.

Судя по словообразовательному типу (суффикс -ев, а не -ин или -ский), фамилия Ильчева относится к так называемым «патронимическим» фамилиям, которые в старину давали людям из рабочей, крестьянской или мещанской среды. Дворянские роды чаще оформляли фамилии через -ский или -ской, поэтому можно уверенно предположить: основатель рода Ильчевых был выходцем из простонародья — крестьянином, ремесленником или посадским человеком.

В документах фамилия встречается в разных регионах, но заметно тяготеет к южнорусским и украинским землям, где форма Ильча была особенно употребительна. Встречается также вариант Ильчёва — с ударением на последний слог, что отражает местные диалектные особенности произношения.

Родственные фамилии — Ильин, Ильюхин, Ильиных, Ильченко — образованы от тех же корней, но с разными суффиксами. Ильчева стоит в этом ряду как пример фамилии, сохранившей редкую народную форму имени, которая почти вышла из употребления в современном русском языке.