Фамилия Ильмаиров образована от мужского мусульманского имени Ильмаир, и её разумнее всего разбирать по составным частям прямо с него. Первая часть, «иль», восходит к тюркскому корню с широким спектром значений: «страна, государство, родина, родной край», а в переносном смысле — «семья, народ, племя; мир, спокойствие». Вторая часть — имя Маир, которое переводится как «смелый». Таким образом, имя Ильмаир можно истолковать как «смелость народа», «мужество родины» или «мирный и смелый», что было характерно для составных тюркских имён-пожеланий.

История происхождения фамилии уходит корнями в XV–XVII века. Она относится к распространённому типу древнейших восточных фамилий, которые ведут начало от тюркских носителей — выходцев из Золотой Орды, а также от печенегов или половцев. В родословной сведения о восточном происхождении фамилии Ильмаиров считаются достаточно точными, поскольку подтверждаются самим именем родоначальника.

Проникновению таких инонациональных основ в состав русских фамилий способствовал исторический факт: многие дворяне в России были по своему происхождению нерусскими. Суффикс -ов в фамилии Ильмаиров — стандартный русский патронимический формант, который присоединялся к восточным именам при оформлении фамилий в среде служилых людей и дворянства. В результате фамилия Ильмаиров представляет собой не просто бытовое прозвище, а заметный памятник восточной письменности и культуры, сохранивший в русской огласовке древнее тюркское имя.