Фамилия Ильмендеева — редкая и неочевидная по происхождению. Её основа «Ильмендей» не встречается в святцах и не является прямым каноническим именем, поэтому первая гипотеза — это не церковное, а мирское прозвище или имя-оберег, образованное от тюркского корня.

Слово «ильмен» (или «ильмень») в тюркских языках означает «озеро», «залив», «разлив». В русских говорах «ильмень» — это небольшое озеро, поросшее камышом. Географически фамилия тяготеет к Поволжью и Приуралью: в Башкортостане, Татарстане, Оренбургской области встречаются носители фамилии Ильмендеев. Это указывает на то, что предок мог жить у озера, носить прозвище «Ильмендей» — «озёрный человек», или же получить имя по названию местности.

Модель образования фамилии — суффикс -ев, присоединённый к основе «Ильмендей». Форма на -ев, а не на -ин, говорит о том, что в основе лежит слово, оканчивающееся на согласный или -й. Аффикс -дей в тюркских именах (ср. Алдей, Кулдей, Туктагул) часто служил уменьшительно-ласкательным или указывал на принадлежность к роду. Таким образом, Ильмендей — это, скорее всего, человек, связанный с водой или озером: рыбак, лодочник, житель приозёрного села.

Вторая, менее вероятная версия — от тюркского имени Ильмен (Ильман) с добавлением русского суффикса -дей по аналогии с другими именами. Но учитывая, что корень «ильмен» как географический термин широко распространён в топонимике (озеро Ильмень, река Ильменка), связь с местом жительства выглядит убедительнее.

Фамилия недворянская, скорее всего, крестьянская или мещанская. В документах XVIII–XIX веков она могла записываться с вариантами: Ильмендеев, Ильмендиев, Ельмендеев. Ударение, судя по говорам, падает на второй слог: Ильме́ндеева.