Фамилия Илемский — хороший пример того, как топонимическое прозвище превратилось в наследственное имя. Её основа — название населённого пункта с корнем «Илем-». Скорее всего, речь идёт о реке Илем, притоке Волги, протекающей в Нижегородской области и Марий Эл, или о деревнях с тем же названием. В русской ономастике фамилии на -ский традиционно указывали на выходца из определённого места, поэтому предок носителя фамилии мог происходить из села Илемского или с берегов одноимённой реки.

Суффикс -ский в данном случае — не просто географический маркер, а признак дворянского или духовного происхождения, если фамилия старого уклада. В XIX веке такие фамилии часто давали в семинариях, переделывая простонародные прозвища на более благозвучный лад. Однако Илемский мог возникнуть и стихийно: крестьянин, переехавший в другую местность, получал прозвище «Илемский» по месту прежнего жительства.

Корень «Илем» имеет финно-угорские корни, что неудивительно для Поволжья. На марийском языке «илем» означает «жильё», «дом», «поселение», а на удмуртском — «жить». Таким образом, название реки или села могло изначально означать «обитаемое место», «жилое». Вторая версия — связь с диалектным словом «илем» (ильм), то есть вяз, дерево. В этом случае фамилия могла указывать на место, где росло много вязов, или на прозвище человека, жившего у такого дерева.

Встречается фамилия в основном в Поволжье и на Урале. В документах XVII–XVIII веков, например, упоминаются служилые люди Илемские, но массово фамилия не распространилась, оставаясь относительно редкой. В современной России её можно найти в Нижегородской, Кировской областях и в Марий Эл. Склоняется по общему правилу: Илемский, Илемского, Илемскому.