Фамилия Илюхина образована от имени Илюха — просторечной, обиходной формы крестильного мужского имени Илья. Само имя Илья восходит к библейскому Элияху (Eliyahu), что с древнееврейского переводится как «мой Бог — Господь» или «мой Бог — Бог истинный». Таким образом, в основе фамилии лежит не прозвище, а народный вариант канонического имени, который в быту был распространён шире, чем полная форма.

Модель образования здесь типичная для русских фамилий: суффикс -ин указывает на принадлежность. Илюхина — буквально «дочь (или жена) Илюхи». Первоначально так называли детей или вдову человека по имени Илюха, а затем фамилия закрепилась за целым родом.

Интересно, что имя Илюха — не единственная уменьшительная форма от Ильи. В народе бытовали также Ильюха, Илюшка, Илька. От них пошли фамилии Ильюхин, Илюшкин, Илькин. Но Илюхина отличается характерным окончанием на -ина, что свойственно преимущественно женскому варианту фамилии (мужская форма — Илюхин). В документах и бытовом общении эта фамилия встречается как у женщин, так и у мужчин, но в исходном значении суффикс -ин всегда указывал на конкретного предка-мужчину.

Поскольку имя Илья было одним из самых распространённых на Руси (в честь пророка Ильи), фамилия Илюхина не привязана к какой-то одной местности. Её носители встречаются и в центральных областях России, и на Урале, и в Сибири. Сословного барьера она не имела: Илюхиными могли быть и крестьяне, и мещане, и священники — всё зависело от того, кто именно носил имя Илюха в конкретной семье.

В ономастических справочниках, например в работах Б. Унбегауна, такие фамилии на -ин традиционно относят к древнейшему пласту русских фамилий, возникших ещё в XVI–XVII веках. Тогда же, когда имя Илюха перестало восприниматься как самостоятельное и стало лишь домашней формой, его и закрепили в качестве родового прозвания.