Фамилия Ильеин — редкий вариант написания более распространённой фамилии Ильин. Разница в одну букву не случайна: в основе обоих вариантов лежит крестильное имя Илья, которое пришло на Русь из древнееврейского через греческий язык и означает «крепость Господня» или «мой Бог — Яхве». Суффикс -ин в русских фамилиях указывает на принадлежность: Ильеин буквально значит «сын Ильи» или «человек из рода Ильи».

Форма Ильеин, а не Ильин, могла возникнуть по нескольким причинам. В северных и северо-западных говорах (новгородских, псковских, архангельских) после мягких согласных и шипящих в окончаниях фамилий нередко писали -еин вместо -ин: Кузнецов превращался в Кузнецов, а Ильин — в Ильеин. Второй вариант — влияние церковнославянского произношения: в именах Илия, Иеремия при образовании притяжательных форм звук [э] мог сохраняться. Третья причина — простая ошибка писаря или переписчика, который на слух записал фамилию с «е» вместо «и». Поскольку орфография фамилий до XX века не была строго закреплена, такие дублеты встречаются.

В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще носили крестьяне и служилые люди, фамилии на -ин в XVI–XVII веках были характерны для духовенства и посадских людей. Ильин и его варианты — одна из типичных «церковных» фамилий: имя Илья, в честь пророка Илии, было широко распространено среди священников, дьячков и пономарей. Поэтому предки носителя фамилии Ильеин с высокой вероятностью были либо выходцами из духовного сословия, либо людьми, чей отец или дед носил имя Илья и не имел официальной фамилии — её просто образовали по отчеству.

Географически фамилия Ильеин встречается реже, чем Ильин, но заметна в Вологодской, Архангельской и Кировской областях — как раз в зоне северных говоров. В центральных и южных регионах России преобладает написание через «и». Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Ильеин стоит в одном ряду с Ильиным, Ильяшенко, Ильичевым, Ильиных и редкой формой Ильеинцев. Все они восходят к одному источнику — имени Илья, но различаются суффиксами, которые указывают на регион, сословие или способ образования (отчество, прозвище, принадлежность к общине).