Фамилия Илюшев образована от имени Илюш — народной, обиходной формы крестильного имени Илья. Древнееврейское происхождение имени Илья («мой Бог — Господь») в данном случае не столь важно, как сам механизм фамилии: суффикс -ев указывает на принадлежность («чей?»), то есть Илюшев буквально означает «сын Илюша». Такая модель типична для русских фамилий, возникших в среде крестьян и посадских людей в XVI–XVII веках, когда отчество на -ов/-ев закреплялось за потомками.

Имя Илья в народной среде давало множество уменьшительных форм: Илюша, Илюха, Илюня, Илюш. Последняя — Илюш — встречается реже, чем, скажем, Илюша, поэтому фамилия Илюшев стоит в одном ряду с более распространёнными Илюшиным и Илюхиным, но сохраняет свою словообразовательную особенность. В говорах северных и центральных губерний России форма Илюш могла звучать как полное обиходное имя, без дополнительных суффиксов.

С точки зрения истории бытования, фамилия Илюшев не принадлежала к дворянским или купеческим родам: её носители, скорее всего, были крестьянами или мещанами. В документах XVIII–XIX веков она встречается преимущественно в Вологодской, Вятской и Пермской губерниях — регионах, где имя Илья было особенно популярно. Таким образом, предки современных Илюшевых — это люди из северорусской крестьянской среды, получившие фамилию по имени отца, которого в семье называли уменьшительным Илюш.

Однокоренные фамилии — Илюшин, Илюхин, Илюнин — различаются только суффиксом уменьшительности (Илюша, Илюха, Илюня), что говорит о вариативности народного именования в разных местностях. Илюшев — одна из наименее частых форм, что делает её ценной для генеалогического поиска: по ней можно точнее определить регион происхождения рода.