Фамилия Илимоонов — редкий случай, когда в основе лежит не имя, не профессия, а почти наверняка географическое название. Если отбросить фамильный суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — Илимоонов), остаётся основа «Илимоон». Прямого соответствия в русском языке у этого слова нет, зато есть гидроним Илим — крупная река в Иркутской области, правый приток Ангары. Вероятнее всего, перед нами фамилия, образованная от названия реки или населённого пункта на ней.

Модель образования проста: к основе «Илим» добавился формант -оон, который в сибирских говорах мог выполнять роль увеличительного или пренебрежительного суффикса (сравните: «река» — «речоонка»). Таким образом, Илимоон — это «большой Илим» или «Илим-река» в народном прозвании. Фамилия Илимоонов, следовательно, означает «потомок человека с Илима» или «выходец с берегов Илима».

Географическая привязка фамилии почти не оставляет сомнений в её сибирском происхождении. Илимский край — историческая область, освоенная русскими землепроходцами в XVII веке. Там были Илимский острог, Илимская слобода, а позднее — Илимский район. Предки Илимооновых могли быть крестьянами, казаками или промышленными людьми, приписанными к этим местам. Фамилия фиксирует не столько личное качество, сколько место, откуда человек «пошёл», что типично для поздних русских фамилий, сложившихся в северных и сибирских регионах.

В отличие от распространённых фамилий на -ин или -ский, Илимоонов сохраняет редкий суффиксальный элемент -оон, который в русской ономастике почти не описан. Это делает фамилию ценной для диалектологов: она — живое свидетельство местного словообразования, не перешедшего в литературную норму. Встречается фамилия крайне редко, в основном в Восточной Сибири и у потомков переселенцев из тех краёв.