Фамилия Илеменов — один из тех случаев, когда при внешней простоте скрывается неочевидная основа. В ней сразу бросается в глаза суффикс -ов, типичный для русских фамилий, образованных от имени или прозвища отца. Но корень «Илемен» не встречается ни в святцах, ни в распространённых древнерусских именах. Здесь, скорее всего, работает региональная или диалектная лексика.

Самая вероятная версия отсылает к слову «илем» — так в некоторых говорах (особенно на Урале и в Поволжье) называли вяз, а также древесину из него. Прозвище Илемен мог получить либо человек, живущий в илемнике (вязовой роще), либо мастер, работающий с этим упругим и прочным материалом — например, делающий дуги, полозья или колёсные ободья. Фамилия могла закрепиться за целым родом таких ремесленников.

Другая, более редкая версия связывает фамилию с тюркским корнем «ил» — «страна, родина», с добавлением аффикса -мен. В таком случае Илеменов — это русифицированная форма тюркского имени или прозвища, означающего «человек из своего племени», «земляк». Такая модель встречается в башкирской и татарской среде, откуда фамилия могла перейти к русским через соседство или смешанные браки.

Географически фамилия Илеменов не массовая. В дореволюционных источниках она встречается в основном в южных уездах Вятской губернии и в прилегающих районах Казанской губернии — как раз на стыке русского и тюркского миров. Это косвенно подтверждает обе версии: и «вязовую» (лесную), и «тюркскую». Точно сказать, какая из них верна, можно только по конкретной семейной истории, но первая — с вязом и ремеслом — выглядит чуть более естественной для русской антропонимии, так как фамилия оформлена типично русским суффиксом.

В написании фамилии стоит обратить внимание на букву «е» в корне: иногда её путают с «и», но правильный вариант — Илеменов, через «е». Вариант Илименов встречается, но он ошибочный и не имеет под собой смысловой опоры.