Фамилия Ильтимирова — редкая и сложная для однозначного толкования. Её основа, «Ильтимир», почти не встречается в современных русских именах, и это сразу указывает на то, что корни фамилии лежат не в славянском, а в тюркском или, что вероятнее, в арабо-персидском языковом пласте, который пришёл на Русь вместе с исламской культурой.

Скорее всего, в основе лежит сложносоставное имя или прозвище. Первая часть, «Иль-», может восходить к тюркскому «иль» (страна, народ, родина) или к арабскому «ильм» (знание, наука). Вторая часть — «тимир» — это тюркское «тимер» (железо). Таким образом, «Ильтимир» могло означать «железо народа» или «крепкий, как железо страны». В арабо-персидской версии имя могло звучать как «Ильтимур» или «Эльтимур» и означать «железная воля» или «человек, крепкий в вере». Для Поволжья и Урала, где веками жили татары и башкиры, такие имена-обереги с корнем «тимер» (железо) были обычным делом — их давали, чтобы ребёнок рос несокрушимым.

Фамилия образована по стандартной русской патронимической модели: к основе «Ильтимир» добавили суффикс «-ов», а затем женское окончание «-а». В русской традиции фамилии на «-ов» сначала закрепились за дворянством и купечеством, но к XIX веку стали массовыми у всех сословий. Однако в случае с Ильтимировыми, учитывая нерусское происхождение основы, это, скорее всего, поздняя фамилия, оформленная уже после крещения или в ходе ассимиляции татарских и башкирских родов в русскую среду. Мужской вариант — Ильтимиров.

Географически фамилия тяготеет к регионам с сильным татарским и башкирским населением: Татарстан, Башкортостан, Оренбургская и Челябинская области. Из-за редкости фамилии (она не входит в списки распространённых русских фамилий) её носители, скорее всего, представляют собой потомков одного или нескольких родов, вышедших из определённой деревни или рода. Сословно предки могли быть как государственными крестьянами (тептяри), так и служилыми татарами, которые за службу получали землю и постепенно переходили в русское подданство. Единственная сложность — фамилия женская, и без мужского окончания «-ов» она теряет чёткую родовую привязку, но этимологически это та же история: «Ильтимирова» — это «дочь или жена Ильтимира».