Фамилия Ильюхин — один из вариантов огромного «семейства» фамилий, образованных от имени Илья. Её основа — народная, разговорная форма этого имени: Ильюха. Уменьшительно-ласкательный суффикс -юх- в русских именах (ср. Матюха, Петюха) был очень распространён в быту, особенно в северных и центральных губерниях. Потомок человека, которого в кругу близких звали Ильюхой, и получал отчество-фамилию Ильюхин.

Само имя Илья восходит к древнееврейскому Элияху (Eliyahu). Последнее переводится как «мой Бог — Господь», то есть «мой Бог — Бог истинный». Это одно из самых почитаемых библейских имён на Руси, поэтому и производных от него фамилий очень много: Ильин, Ильюшин, Ильиных, Ильясов и другие. Ильюхин стоит в этом ряду особняком благодаря редкому суффиксу — он указывает не просто на принадлежность, а на прозвищное, «домашнее» происхождение.

Модель образования на -ин типична для русских фамилий, произведённых от существительных или имён, оканчивающихся на -а/-я. Ильюха → Ильюхин означает «чей?» — «сын Ильюхи». Важно не путать этот суффикс с притяжательным значением: он не говорит о том, что предок «принадлежал» кому-то, а фиксирует родство по отцу или главе семьи.

Географически фамилия Ильюхин встречается не повсеместно. Она заметно чаще попадается в документах по Рязанской, Тамбовской и Владимирской губерниям, а также в казачьих областях — на Дону и Кубани. Это косвенно подтверждает, что форма Ильюха была особенно жива в диалектах южнорусского наречия.

Социальный состав носителей фамилии был пёстрым. Среди Ильюхиных встречались и крестьяне, и мещане, и купцы. В XIX веке в некоторых метрических книгах фамилию записывали через «о» — Ильюхинъ, что никак не меняет её происхождения, но помогает отличить от редкого варианта Ильюхин с ударением на второй слог (от имени Илюха).