Фамилия Илюнов — одна из тех, что образована напрямую от разговорной формы христианского имени. В её основе лежит имя Илья, а точнее — его уменьшительно-обиходный вариант Илюн. Такая модель встречается реже, чем стандартное отчество от полного имени (Ильин или Ильичев), и потому выделяет фамилию среди однокоренных.

Суффикс -ов указывает на типичную для центральной России патронимическую модель: «чей сын?» — Илюнов, то есть сын Илюна. Имя Илюн — это не самостоятельное календарное имя, а народная, усечённая форма от Илья, зафиксированная в русских говорах. Подобные образования (Петрун от Пётр, Микун от Николай) были в ходу в крестьянской среде вплоть до XIX века: так звали человека в быту, а в документах писали полное имя.

Интересная деталь: в отличие от фамилии Ильин, которая может быть и семинарской (от церковного праздника Ильин день), Илюнов почти наверняка имеет мирское, деревенское происхождение. Вероятнее всего, предок носителя этой фамилии был крестьянином или ремесленником, а фамилию ему дали по отцу, которого в округе звали Илюн — сокращённо, по-соседски.

Фамилия встречается рассеянно, без ярко выраженного «гнезда» в одном регионе. Небольшая концентрация заметна в бывших владимирских и нижегородских землях, где говоры сохраняли мягкое окончание -ун. Встречается она и на Дону, но там чаще фиксируется вариант Илюнов с ударением на первый слог, что выдает южнорусское произношение.

С точки зрения словообразования, Илюнов стоит в ряду с фамилиями Илюхин, Илюшин, Илюшечкин — все они образованы от разных суффиксальных форм одного имени. Но именно форма на -ун (Илюн) — самая редкая и архаичная, что делает фамилию своеобразным маркером старинного простонародного именования.