Фамилия Хилинина — редкий случай, когда женская форма закрепилась в документах как исходная, а мужской вариант (Хилинин) встречается реже или вовсе утрачен в некоторых ветвях. По модели образования это типичная «матчественная» фамилия: суффикс -ин указывает на принадлежность, а основа — женское имя или прозвище Хилина. В русской традиции так могли назвать дочь или жену человека по прозвищу Хиля, Хила, Хиль.

Самое вероятное происхождение корня — от диалектного глагола «хилить» (гнуть, клонить, сгибать) или прилагательного «хилый» (слабый, болезненный, тщедушный). В северных и сибирских говорах «хилить» означало также «наклоняться, клониться в сторону», а в переносном смысле — «хитрить, уклоняться от прямого ответа». Таким образом, прозвище Хиля мог получить либо физически слабый человек, либо, наоборот, изворотливый и уклончивый. Вторая версия менее очевидна, но не исключена: в некоторых говорах «хиля» называли человека, который ходит вразвалку или прихрамывает.

Менее распространённая гипотеза связывает фамилию с гидронимом — рекой Хилин или Хила в бассейне Амура, но для фамилии с суффиксом -ина это означало бы, что предок был выходцем с тех мест, что маловероятно для исконно русской фамилии. Географически фамилия Хилинина встречается в основном в Вологодской, Архангельской и Кировской областях — как раз там, где говорят «хилить» и «хилый».

Словообразовательный нюанс: суффикс -ин в фамилиях обычно присоединяется к основам на -а/-я (Хилин → Хилинина), и здесь женская форма не случайна — в метрических книгах XIX века часто записывали вдову или дочь по имени отца, и если главы семьи не было, фиксировали форму «Хилинина». Позже она могла закрепиться как родовая.