Фамилия Хилимонов — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, почти наверняка было образовано от названия растения, но не самого очевидного. Корень здесь — «хилим», диалектное или устаревшее обозначение хмеля. В некоторых южнорусских и украинских говорах хмель называли «хмиль» или «хиль», а форма «хилим» могла возникнуть как народная переделка или местный вариант. Соответственно, Хилимон — это человек, так или иначе связанный с хмелем: либо выращивавший его, либо торговавший им, либо получивший прозвище за любовь к хмельному питью.

Модель образования типична для русских фамилий: основа «Хилимон» плюс патронимический суффикс «-ов», означающий «сын Хилимона» или «принадлежащий Хилимону». Суффикс указывает, что фамилия складывалась в центральных и северных областях России, где преобладала эта модель, в отличие от украинских «-енко» или белорусских «-ич». Само имя Хилимон в святцах не встречается — это не каноническое, а мирское прозвище, что типично для фамилий крестьянского и посадского сословия, которые формировались в XV–XVII веках.

Менее вероятная, но допустимая версия связывает фамилию с греческим именем Филимон («любящий»). Однако в русской традиции греческое «фи» обычно переходило в «ф», а не в «х»: Филимон, а не Хилимон. Переход «ф» в «хв» (Хвилимон) встречается в украинском, но не в «х». Поэтому версия с хмелем выглядит убедительнее: она объясняет и необычное звучание, и бытовую логику прозвища.

Географически фамилия редкая, её очаги — юг России и восток Украины, где хмелеводство было распространено. В дореволюционных переписях Хилимоновы встречаются среди крестьян Воронежской и Курской губерний. В отличие от фамилий на «-ский», которые часто носили дворяне или духовенство, Хилимонов — стопроцентно крестьянская фамилия, без сословного налёта.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Хмелёв, Хмельницкий, Хмельников — показывает, что Хилимонов стоит особняком: он сохранил архаичную диалектную форму, которая почти исчезла из живого языка. Для этимолога это ценный пример того, как местное произношение застывает в фамилии, становясь документом говора.