Фамилия Илюшина образована от просторечной формы крестильного имени Илья — Илюша. Само имя Илья восходит к библейскому Eliyahu, что в переводе с древнееврейского означает «мой Бог — Господь», то есть «мой Бог — Бог истинный». По этой словообразовательной модели фамилия относится к числу наиболее распространённых в русском языке: суффикс -ин указывает на принадлежность («чей?» — Илюшин сын, Илюшина дочь), а со временем закрепился за целым родом.

Скорее всего, основатель рода Илюшиных был выходцем из рабочей или крестьянской среды — на это указывает само использование уменьшительно-обиходной формы имени вместо полной. В среде простого сословия, где полные имена в быту употребляли реже, именно такие «домашние» вариации и становились основой для фамилий. Потомок человека по имени Илюша со временем получал фамилию Илюшин (для мужчин) или Илюшина (для женщин), которая передавалась по наследству.

Интересно, что у фамилии Илюшина есть и «двойники» — однокоренные фамилии, образованные от той же основы: Илюшин, Илюшечкин, Илюшкин. Все они восходят к разным производным формам имени Илья, но именно Илюшина сохраняет самую распространённую уменьшительную версию. Встречается фамилия преимущественно в центральных и северных регионах России, где имя Илья было особенно популярно.