Фамилия Илионов — редкий случай, когда в основе лежит греческое имя, но с русским «народным» оформлением. Она образована от крестильного имени Илион, которое восходит к греческому городу Троя (Илион). В православных святцах это имя не встречается, но в дореволюционной России его давали в честь античной истории или по созвучию с именем Илья. Чаще всего так называли в среде духовенства, где ценились «учёные» имена из греческой и латинской традиции.

Суффикс -ов указывает на типичную русскую модель притяжательности: Илионов буквально значит «сын Илиона» или «принадлежащий Илиону». Фамилия могла закрепиться за семинаристом, получившим «благозвучную» фамилию при поступлении в училище, или за крестьянином, чьего отца звали Илионом. Второй вариант менее вероятен — имя Илион в народной среде почти не встречалось, зато в церковной среде оно было известно по «Илионской» иконе Божией Матери.

Географически фамилия тяготеет к центральным губерниям России, особенно к Владимирской и Ярославской, где было много духовных учебных заведений. Встречается она и в южных областях, но значительно реже. Интересно, что в некоторых переписях XIX века фиксируется вариант Илионовский — с типично семинарским суффиксом -ский, который давали тем, кто хотел подчеркнуть «учёное» происхождение.

Однокоренных фамилий в русском языке почти нет. Можно вспомнить Илионский (тот же корень, но с другим суффиксом) и очень редкую Илианов — от имени Илиан, которое тоже связано с Троей. Спорных версий происхождения у Илионова нет: греческий корень очевиден, а русский суффикс не оставляет сомнений в способе образования.