Фамилия Ильсова — женская форма, мужская соответственно Ильсов. В основе, скорее всего, лежит неканоническое имя или прозвище Ильса. Это краткая, разговорная форма от крестильного имени Илья (древнееврейское Элияху — «мой Бог — Яхве»). Уменьшительные варианты вроде Илься, Ильса были естественны в бытовой речи: так могли звать человека в семье или в деревне, а потом прозвище закрепилось за его детьми.

Модель образования простая и типичная для центральной России и Поволжья: суффикс -ов присоединился к основе Ильс-. Фамилии на -ов в этой части страны составляют большинство, так что географически Ильсовы могли появиться в любом регионе, где было распространено имя Илья, но есть одна особенность. Форма Ильса, а не более привычные Ильюша или Илька, встречается реже. Это может указывать на локальный говор или на то, что прозвище образовали не напрямую от имени, а от производного слова.

Вторая версия, менее вероятная, но имеющая право на существование: связь с тюркскими языками. В татарском и башкирском есть имя Ильса (Ильсаф, Ильсур), где «иль» означает «родина, страна». Если фамилия встречается в смешанных районах (например, в Татарстане или Башкирии), не исключено, что её основа — тюркского происхождения. Однако суффикс -ов типичен для русификации таких фамилий, и тогда первоначальная форма могла звучать как Ильсов или Ильсин.

Сословной привязки у Ильсовых нет. Фамилия не выглядит дворянской или купеческой — скорее крестьянская или мещанская. В документах XIX века её носители, вероятно, числились государственными или помещичьими крестьянами. Перепись 1897 года могла зафиксировать Ильсовых в нескольких губерниях, но массового распространения фамилия не получила: она остаётся довольно редкой.