Фамилия Халиюллин — редкий случай, когда на стыке тюркского имени и русского суффикса возникает неожиданная орфографическая загадка. В основе лежит арабское имя Халиулла (Халиюлла), что переводится как «друг Аллаха» или «близкий к Богу». Это имя образовано от корня «халиль» (близкий, верный друг) и «Аллах». В исламской традиции «халиль» — один из эпитетов пророка Ибрахима (Авраама), которого считают «другом Всевышнего». Таким образом, значение фамилии восходит к высокому религиозному понятию — «принадлежащий Халиулле», то есть потомок человека, носившего это почитаемое имя.

Словообразовательная модель здесь типична для русской адаптации тюркских фамилий: суффикс -ин указывает на принадлежность («чей?»), а конечное -н в основе — это часть исходного имени (Халиюлла + -ин). Однако в русском языке имя Халиулла часто записывали на слух, и в ряде регионов (особенно в Татарстане и Башкортостане) конечный гласный «а» редуцировался или отбрасывался, что и дало форму Халиюллин вместо ожидаемого Халиуллин. Двойное «л» в фамилии — результат стечения: первая «л» принадлежит корню «халиль», вторая — суффиксу -ин, если считать, что основа заканчивается на -л (Халиюл- + -ин). Но в современном написании закрепилась форма с двумя «л», хотя этимологически вернее было бы Халиуллин.

Географически фамилия Халиюллин встречается преимущественно среди татар и башкир, реже — у других народов Поволжья и Приуралья. Это не массовая фамилия, а скорее редкая ветвь более распространённой фамилии Халиуллин. Разница в написании могла возникнуть из-за особенностей диалектного произношения: в некоторых говорах татарского языка имя Халиулла произносили с твёрдым «ы» на месте краткого «у», что при записи в паспортном столе дало «Халиюлла», а затем и «Халиюллин».

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Халиуллин — самый частый вариант, Халилов — от другой формы имени (Халил), а Халиюллин — локальный, возможно, связанный с конкретным родом или селом. В дореволюционных метрических книгах можно встретить оба написания для одной семьи, что говорит о неустоявшейся орфографии в XIX — начале XX века. По сословной принадлежности носители фамилии относились к государственным крестьянам, тептярям или башкирам-вотчинникам — никаких дворянских корней здесь нет, фамилия сугубо народная, крестьянская.