Фамилия Илемская — женская форма, мужской вариант — Илемский. Она принадлежит к сравнительно позднему пласту русских фамилий, образованных от географических названий с помощью суффикса -ск- (в форме -ский/-ская). Такая модель указывает на дворянские или, чаще, духовные корни, а также на происхождение от выходцев из определенной местности.

Основа фамилии — топоним Илема, Илемка или Илемское. В русской ономастике «илемой» называют ольху (ольшаник) или вяз — это слово имеет финно-угорские параллели (ср. марийское «илем» — жилье, но в диалектах — заросли ольхи). Таким образом, Илемская могла означать «из села, стоящего на речке Илемке» или «из местности, где много илемы (ольхи)». Наиболее вероятна связь с рекой Илемой в бассейне Волги (Ярославская, Костромская области) или с деревнями Илемцы, Илемно в Новгородской и Вологодской губерниях.

Поскольку суффикс -ский типичен для семинарских фамилий, которые давали выпускникам духовных училищ по названию их родного села или прихода, Илемская могла возникнуть в среде духовенства. Однако не исключено, что фамилия закрепилась за дворянами, владевшими имением Илемское. В дореволюционных документах встречаются записи о крестьянах Илемских из Череповецкого уезда — значит, фамилия не была строго сословной.

В отличие от фамилий на -ов/-ин, которые чаще происходят от личных прозвищ, Илемская — «территориальная»: она прямо говорит, откуда родом основатель рода. Носители этой фамилии сегодня редки, сосредоточены в основном в Центральной России и Поволжье, что подтверждает связь с конкретным географическим ареалом.