Фамилия Илупаев — редкая, и её происхождение не лежит на поверхности. В ней нет привычного славянского суффикса -ов, который указывал бы на отчество от крестильного имени (вроде Иванов). Вместо этого мы видим основу Илупай и типичный для русских фамилий патронимический суффикс -ев, который присоединяется к основам, оканчивающимся на согласный или -й.

Ключ к разгадке — в корне «Илуп». Скорее всего, перед нами прозвище, образованное от глагола «лупить» (бить, колотить, а также быстро бежать или есть) с диалектной приставкой «и-», которая в русских говорах иногда усиливала действие или придавала слову оттенок однократности («илупить» — то есть сильно ударить, отлупить). Человек по прозвищу Илупай мог получить его за драчливый нрав, за манеру быстро и жадно есть, либо за резкость в движениях. В северных и сибирских говорах «лупить» означало ещё и «бежать во весь дух», так что Илупаем могли назвать непоседу или скорохода.

Менее вероятна, но возможна связь с тюркскими языками: у башкир и татар встречается имя Илупа (Ил-упа — «родина-подарок» или «страна-защита»). Однако суффикс -ев в русском оформлении скорее указывает на адаптацию уже русского прозвища, чем на прямое заимствование имени. Фамилии на -аев (от основ на -ай) характерны для южнорусских и украинских земель, но Илупаев мог возникнуть и в северных регионах, где сохранялись архаичные глагольные формы.

Сословная принадлежность предков неясна. Илупаевы могли быть крестьянами или однодворцами — в документах XIX века такая фамилия не встречается среди дворянства или купечества. В современной России фамилия крайне редка, её носители живут преимущественно в Поволжье и на Урале, что подтверждает версию о русском прозвищном происхождении с диалектной окраской.