Фамилия Ильметова — женская форма от Ильметов. Её основа — мужское имя или прозвище Ильмет. На первый взгляд в ней слышится что-то тюркское, и это не случайно: корень «иль» в тюркских языках означает «родина, страна, народ». Вторая часть — «мет» — может восходить к арабскому «мухаммад» (восхваляемый) в усечённой форме, что часто встречается в татарских и башкирских именах. Таким образом, Ильмет могло быть составным именем со значением «народ Мухаммада» или «страна восхваляемого».

Но есть и другая версия, более прозаичная. В некоторых говорах русского Севера «ильмень» или «ильмет» называли заливной луг, низину у озера. Если предок получил прозвище по месту жительства — «живущий у ильменя», — то фамилия могла возникнуть независимо от тюркского влияния. Однако суффикс -ов- в основе Ильметов указывает на русскую модель образования от имени на твёрдый согласный, а такие фамилии у татар и башкир нередко русифицировали при переходе в православие.

География фамилии сегодня — в основном Оренбургская, Челябинская области и Башкортостан. Это подтверждает, что носители — потомки тюркоязычных народов, чьи предки приняли русскую фамилию по отцу. В дореволюционных переписях Ильметовы встречаются среди башкир-вотчинников и тептярей (сословие безземельных крестьян).

Словообразовательная модель простая: к основе Ильмет добавили типичный русский суффикс принадлежности -ов-, а затем окончание -а для женского рода. Фамилия недвусмысленно указывает на родство: Ильметовы — «дети Ильмета».