Фамилия Илюшин образована от просторечной формы Илюша крестильного имени Илья. Илья, в свою очередь, — видоизменённая форма древнееврейского имени Элияху, которое переводят как «мой Бог — Господь», то есть «мой Бог — Бог истинный». Таким образом, в основе фамилии лежит не полное церковное имя, а его обиходный, домашний вариант — Илюша.

По модели образования фамилия относится к самому распространённому в русском языке типу: суффикс -ин указывает на принадлежность. Илюшин буквально значит «сын Илюши» или «человек из семьи Илюши». Такие фамилии обычно закреплялись за детьми и домочадцами, а не за самим носителем имени.

Интересно, что в отличие от фамилии Ильин, образованной от полной формы имени, Илюшин несёт оттенок неофициальности. В крестьянской и мещанской среде, где паспортные фамилии вводились поздно, часто записывали именно то, как человека звали в быту. Поэтому Илюшины могли появиться в тех семьях, где отца или деда звали Илюшей, а не официальным Ильёй.

Регионально фамилия встречается повсеместно, но с заметной концентрацией в центральных и северных областях России. В старых писцовых книгах XVI–XVII веков можно найти упоминания крестьян Илюшиных, например, в Новгородской и Вологодской землях. В дворянских родословных эта фамилия не фиксируется — она оставалась фамилией простых сословий: крестьян, ремесленников, священнослужителей низшего ранга.

Однокоренные фамилии того же гнезда — Илюхин, Илюшечкин, Илюшов. Все они образованы от разных уменьшительных форм имени Илья, но Илюшин — самый частотный среди них.