Фамилия Ильмерзин — редкий случай, когда географическое название почти наверняка перешло в фамилию без изменений, сохранив исходную форму. В основе лежит топоним Ильмерзь — так называется река в Новгородской области, правый приток Полисти. Гидроним имеет финно-угорское происхождение: в вепсском и карельском языках «ильм» означает «воздух, небо» или же восходит к имени Ильмери — водного божества в эпосе «Калевала». Суффикс -ин в фамилии стандартно указывает на принадлежность: «сын того, кто с Ильмерзи» или «живущий на Ильмерзи».

Модель образования фамилии проста: к основе топонима добавили патронимический суффикс -ин, характерный для северных и центральных русских земель. Такая схема типична для фамилий, возникших от названий рек и озёр — достаточно вспомнить Волгин, Онегин, Ильин (от Ильмень). Но Ильмерзин стоит особняком: река Ильмерзь мала и известна лишь местным жителям, поэтому фамилия осталась локальной, не разошлась широко по стране.

Скорее всего, предок носителя фамилии был выходцем из деревни или погоста на реке Ильмерзь — например, из ныне не существующей деревни Ильмерзь в Поддорском районе Новгородской области. В писцовых книгах XVI–XVII веков эта местность упоминается как часть Шелонской пятины. Крестьяне и мелкие служилые люди, переселяясь в другие края, получали прозвище по родной реке, которое затем закрепилось как фамилия.

С точки зрения словообразования, фамилия Ильмерзин — яркий пример «чистого» топонимического прозвища, без дополнительных суффиксов или переосмыслений. Если бы основа была личным именем (например, Ильмер — гипотетическая форма от Ильи), мы бы ожидали варианта Ильмерин или Ильмеров. Но -ерзь в корне однозначно указывает на гидроним, а не на антропоним. Встречаемость фамилии крайне низкая, основные очаги — Новгородская и Псковская области, что подтверждает её привязку к конкретному водному объекту.