Фамилия Ильштейн звучит для русского уха непривычно, и это первый ключ к разгадке: она не исконно славянская, а немецкая или еврейская по происхождению. В основе лежит немецкая топонимическая модель, где вторая часть «-штейн» (Stein) означает «камень». В сочетании с первой частью это указывает на конкретное место — скорее всего, на населённый пункт, в названии которого было слово «камень» или «скала».

Первая часть «Иль-» может восходить к нескольким корням. Самый очевидный вариант — это сокращение от личного имени Илья (через немецкую передачу Ilja). В таком случае Ильштейн — это топонимическая фамилия, образованная от названия места вроде Ильштайн (Ilstein), которое могло означать «Ильина скала» или «скала Ильи». Второй вариант — от немецкого корня «Il-», который встречается в названиях рек (например, Ильм) или старых германских именах. Третий, менее вероятный, но возможный для еврейской ветви фамилии, — от идишского слова «иль» (איל), означающего «олень», что дало бы фамилию «Олений камень». Однако в русском написании закрепилось именно «Ильштейн», что склоняет к первой версии.

С точки зрения словообразования, это типичная немецкая фамилия на «-штейн», распространённая среди ашкеназских евреев и немецких переселенцев. В России такие фамилии часто получали выходцы из немецких колоний или еврейских местечек, где топонимический принцип был одним из главных при присвоении фамилий в XVIII–XIX веках. Суффикса, как в русских фамилиях, здесь нет — модель чисто германская: основа + суффикс-указатель места.

Географически носители фамилии Ильштейн встречаются в основном на территории бывшей Российской империи (Украина, Беларусь, юг России), а также в Израиле, Германии и США — там, куда мигрировали еврейские общины в конце XIX — начале XX века. В России фамилия редкая, и её носители, скорее всего, потомки тех, кто перебрался из черты оседлости в центральные губернии или в Сибирь.

Сословная принадлежность предков чаще всего — мещанская или купеческая, реже — раввинская. Дворянских корней у фамилии нет, так как в немецкой и еврейской среде «-штейн» не был аристократическим маркером, в отличие от «-берг» или «-таль». Скорее всего, предки были ремесленниками, торговцами или содержателями постоялых дворов — людьми, чья фамилия просто привязала их к месту, где они жили или откуда пришли.