Фамилия Ильмира — редкий случай, когда на слух она звучит как полное женское имя, но в русской традиции оформлена по мужской модели. Корень здесь — тюркское или арабо-тюркское имя Ильмир (Ильмира), которое состоит из двух частей: «иль» (народ, родина) и «мир» (мир, спокойствие, владыка). В сумме получается что-то вроде «владыка народа» или «миротворец родины».

Словообразовательная модель фамилии проста: к основе Ильмир- добавлен суффикс -а. В русской ономастике суффикс -а в фамилиях встречается реже, чем -ов или -ин. Обычно он указывает на украинское, белорусское или южнорусское происхождение, где фамилии нередко оформляли без патронимического суффикса, просто по прозвищу или имени в краткой форме. Так, Ильмира могла означать «сын Ильмира» или просто «человек по имени Ильмир». Возможен и вариант, что фамилия закрепилась за женщиной (вдовой или матерью-одиночкой), но это менее вероятно: нарицательное имя Ильмира в России чаще женское, а фамилия по мужской линии всё же строилась от мужского варианта Ильмир.

Географически фамилия тяготеет к Поволжью и Приуралью — регионам, где сильно татарское и башкирское влияние. Ильмир — распространённое имя у татар и башкир, поэтому носители фамилии, скорее всего, имеют тюркские корни, но давно живут в русскоязычной среде, где фамилию русифицировали по форме. Встречаются Ильмиры и у казахов, но там фамилия чаще звучала бы как Ильмиров или Ильмирулы.

Интересная деталь: в дореволюционных метрических книгах эта фамилия могла записываться через «е» — Ельмира, под влиянием народной этимологии, сближавшей её с именем Эльмира. Однако исходный тюркский корень с «и» — более точный. Фамилия не дворянская и не купеческая — скорее крестьянская или мещанская, из тех, что возникали при переписях XIX века, когда крестьянам давали фамилии по имени отца или по прозвищу. Сейчас Ильмира — одна из тех фамилий, которые нечастые, но устойчивые: по открытым данным, в России её носят несколько сотен человек, в основном в Татарстане, Башкортостане и соседних областях.