Фамилия Илоиайский — один из тех редких случаев, когда происхождение можно восстановить почти буквально, но при этом оно звучит необычно для русского уха. Основа фамилии — топоним Илоиай. Это название населённого пункта, скорее всего, села или местечка. Суффикс -ск- указывает на типичную модель образования фамилий от географических названий: владелец или выходец оттуда получал прозвище «Илоиайский», то есть «тот, кто из Илоиая». Со временем прозвище закрепилось как фамилия.

Сам топоним Илоиай имеет явные финно-угорские корни. В языках этой группы (например, в марийском, удмуртском, коми) часты названия с элементом «ило» или «ылы», что может означать «верхний», «дальний», а также «живой» или «жизнь». Вторая часть «ай» в ряде финно-угорских языков — распространённый суффикс, образующий названия рек, озёр или просто поселений. Таким образом, Илоиай можно перевести как «Верхнее село» или «Живое место». Не исключено, что первоначально так называлась речка или урочище, а уже потом — деревня.

Фамилия Илоиайский — искусственная по способу возникновения. Она не произошла от имени или прозвища человека, а была целенаправленно образована от названия места, когда человеку нужно было дать фамилию по месту жительства или службы. Чаще всего такие фамилии встречались в среде духовенства. Священникам при поступлении в семинарию нередко меняли бытовые фамилии на «географические» — по названию села, где стоял храм, или по имени святого. Илоиайский мог получить свою фамилию именно так: его предок служил в храме села Илоиай или был родом оттуда.

Географически фамилия тяготеет к северо-востоку европейской части России. Наиболее вероятный регион бытования — бывшая Вятская губерния, а также территории современной Удмуртии, Марий Эл и Кировской области. Именно здесь распространены финно-угорские топонимы, и здесь же фиксируются редкие фамилии на -ский, образованные от местных названий. Встречаемость фамилии крайне низкая, что подтверждает её локальное происхождение от одного конкретного села или прихода.

В написании фамилии возможны варианты: Илоиайский, Илояйский, Илойский. Последний вариант мог возникнуть при упрощении в документах. Однако исходная форма с двумя «и» (Илои-ай) точнее передаёт структуру топонима. Сравните с похожими по модели фамилиями: Ижевский (от Иж), Куженерский (от Куженер), Можгинский (от Можга). Все они — одного поля ягоды: выдают выходца из финно-угорского региона, чья фамилия закрепилась по названию малой родины.