Фамилия Илёшина — женская форма, в основе которой лежит мужская фамилия Илёшин. Её ядро — просторечная или диалектная форма имени Илья. В русской ономастике это довольно редкий случай: если от канонического Илья большинство фамилий образовано через суффикс -ин (Ильин, Ильина), то здесь использован уменьшительный суффикс -ёш-, который придаёт основе ласкательный или фамильярный оттенок. Илёша — это то же, что и Илюша, но с характерным для северных и центральных говоров «ёканьем» (произношение «ё» вместо «ю»). Таким образом, Илёшин буквально означает «сын Илёши» или «потомок Илёши».

Словообразовательная модель проста: основа прозвищного или обиходного имени Илёша плюс притяжательный суффикс -ин, указывающий на принадлежность к роду. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще встречаются у потомков по отцу, фамилии на -ин в русской традиции тоже патронимичны, но закрепились в основном у людей, чьи предки носили имена или прозвища, оканчивающиеся на -а/-я. Здесь никакой путаницы: Илёша → Илёшин → Илёшина.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где было распространено «ёканье» и где имя Илья в быту звучало как Илёша. Это, скорее всего, Вологодская, Архангельская, Кировская области или Поволжье. В официальных переписях XIX века такая форма могла закрепиться как простонародная, в отличие от более «книжного» Ильин, который встречался и у духовенства, и у дворян. Илёшины — это, вероятно, крестьянский или мещанский род, где фамилию дали по домашнему, внутрисемейному имени, а не по святцам.

Сравнение с однокоренными фамилиями показывает, что Илёшин — не единственная «нестандартная» производная от Ильи. Есть Илюшин (от Илюша), Ильюшин (с более полной основой), а также Ильёшин (с тем же «ё», но без смягчения). Илёшин стоит особняком: суффикс -ёш- редко встречается в русских фамилиях, он характерен скорее для украинской или белорусской традиции (ср. Тимош, Федос), но в данном случае адаптирован под русскую фонетику. Возможно, предок носителя фамилии был выходцем из смешанных этнических зон или просто в его семье имя Илья произносили с особой интонацией, которая и закрепилась в фамилии.