Фамилия Илеев — редкий случай в русском ономастиконе, где за основу взято не полное крестильное имя, а его краткая форма. В основе лежит имя Илья, которое в народной речи часто сокращали до Илей, Илеха или Илюха. Суффикс -ев указывает на принадлежность: Илеев буквально означало «сын Илея». Такая модель типична для русских фамилий, образованных от имён с мягкой или шипящей основой (ср. Андреев, Тимофеев), но в случае с Ильёй она встречается реже, чем привычная Ильин, где используется суффикс -ин.

Сложность в том, что имя Илей могло быть не только сокращением от Илья. В некоторых говорах так называли человека с хромотой или неуклюжей походкой — от диалектного глагола «илять» (ковылять, идти вразвалку). Эта версия менее вероятна, поскольку прозвища на -ей редко становились основой для фамилий с суффиксом -ев, но полностью исключать её нельзя. В пользу первой гипотезы говорит то, что у фамилии есть «двойники»: Илеев почти наверняка родственна по происхождению фамилиям Илюхин, Ильин, Илюшин — все они восходят к одному имени.

Географически фамилия тяготеет к Поволжью и южным регионам России. Встречается она и у чувашей, где имя Илей (Иллей) бытовало как самостоятельное дохристианское имя, и у татар, где оно могло быть вариантом имени Ильяс. Однако для русского контекста основным остаётся церковное имя Илья, которое давали в честь пророка Илии. Таким образом, носитель фамилии Илеев — потомок человека, которого в быту звали Илей, независимо от того, было это сокращение имени или уличное прозвище.