Фамилия Ильмендеров — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Её основа, «Ильмендер», не встречается в современных русских именах или нарицательных словах. Первое, что бросается в глаза, — это суффикс «-ер», типичный для тюркских и финно-угорских языков, где он образует названия профессий или деятелей (например, татарское «китапчы» — книжник, но через русскую передачу). Однако в данном случае мы имеем дело с русской фамилией, оформленной патронимическим суффиксом «-ов», что указывает на «сына Ильмендера». Значит, ключ — в прозвище или имени Ильмендер.

Наиболее вероятная версия связывает фамилию с географическим названием Ильмень. Это не только озеро в Новгородской области, но и ряд более мелких озёр и речек в разных регионах России (например, в Поволжье). Слово «ильмень» в южнорусских говорах означало «озеро, образовавшееся из разлива реки»; в тюркских языках (ильмән) — «залив, озеро». Тогда Ильмендер — человек, живущий у такого озера, или выходец с берегов Ильменя. Суффикс «-дер» в этой модели — редкий вариант суффикса принадлежности (ср. «лугарь» — житель лугов, но «лугандер» — гипотетическая форма). Возможно, это диалектное или искажённое при произношении «Ильменя́р» (по аналогии с «пензя́к»), которое позже закрепилось в документах как Ильмендер.

Менее убедительна, но допустима версия о тюркском происхождении. В татарском и башкирском языках есть имя Ильмен (от «ил» — страна, родина и «мен» — родинка, знак), но суффикс «-дер» здесь нехарактерен для образования фамилий. Скорее, это случай, когда русский суффикс «-ов» прирос к уже готовому тюркскому прозвищу Ильменде, которое могло означать «имеющий родинку на родине» (метафорически). Однако такая этимология требует дополнительных подтверждений.

Фамилия Ильмендеров почти наверняка недворянская. В старых списках служилых людей она не встречается; суффикс «-ов» и отсутствие «-ский» указывают на крестьянское или мещанское происхождение. Носители фамилии, скорее всего, жили в северных или центральных губерниях России — там, где озёра называли ильменями. Сегодня Ильмендеровы встречаются единично, в основном на Урале и в Западной Сибири, куда предки могли переселиться в ходе аграрных реформ или столыпинского переселения.