Фамилия Илларионов — одна из тех, что образованы напрямую от полного канонического имени, без уменьшительных или прозвищных форм. В её основе лежит мужское крестильное имя Илларион, которое пришло на Русь из Византии вместе с православием. Греческое слово «hilarios» означает «весёлый», и имя это давали с пожеланием лёгкого, радостного нрава. Покровителем имени считается блаженный митрополит Иларион Печерский — первый киевский митрополит из славян, чьи мощи покоятся в Киево-Печерском монастыре.

Сам способ образования фамилии — через суффикс -ов — указывает на то, что её первоначальный носитель был прямым потомком человека по имени Илларион. В отличие от фамилий на -ин, которые часто возникали от имён на -а/-я (Илья — Ильин), модель на -ов типична для имён, оканчивающихся на твёрдый согласный. Это стандартная патронимическая форма: «чей?» — «Илларионов сын».

Интересная деталь: в церковной традиции имя часто писалось через одно «л» — Иларион, тогда как в светском, гражданском обиходе закрепилось двойное «л». Фамилия же Илларионов почти всегда пишется с двумя «л», что отличает её от возможного варианта Иларионов, который встречается гораздо реже. Это говорит о том, что фамилия фиксировалась уже в письменных документах по произношению, а не по церковнославянской орфографии.

Судя по тому, что в основе лежит полное, а не уменьшительное имя (ср. Ларионов от Ларя, Ларик), можно предположить: основатель рода Илларионовых был человеком уважаемым. В крестьянской и посадской среде вплоть до XVII века полные имена в быту использовали редко — чаще звали по прозвищам или сокращениям. Если же человека в документах consistently называли Илларионом, а не Ларькой, это могло указывать на его принадлежность к духовенству, купечеству или служилому сословию, где полное имя было нормой. Таким образом, фамилия Илларионов, скорее всего, возникла в среде, где имя-основа звучало официально и весомо.