Фамилия Хилтухин — редкий случай, когда основа не имеет очевидных славянских корней, а сама фамилия, скорее всего, обязана своим происхождением географическому соседству или этническим контактам. Если отбросить суффикс -ин, указывающий на принадлежность («чей?» — сын Хилтухи), остаётся основа «Хилтух». Это прозвище или некалендарное имя, которое с большой вероятностью происходит из тюркских языков.

Наиболее правдоподобная версия связывает фамилию с калмыцким или монгольским словом «хилтх» (хилтхэ) — «щит» или «защита». В кочевой культуре имя-оберег Хилтух могли дать ребёнку, чтобы он был «неуязвим», как щит. В пользу этой гипотезы говорит и география: фамилия Хилтухин встречается в основном в южных регионах России, в частности в Ростовской области и Калмыкии, где исторически сильны тюркские и монгольские влияния. Суффикс -ин в данном случае не обязательно указывает на великорусское происхождение — в казачьей среде и на южных окраинах России фамилии на -ин активно давали иноязычным прозвищам.

Менее убедительна версия о связи с тюркским «хылтух» (кривой, согнутый). Она возможна, но не объясняет, почему такое прозвище закрепилось именно в форме фамилии. Важно и то, что фамилия Хилтухин не фиксируется в старых боярских или дворянских родословных — это поздняя, крестьянская или казачья фамилия, которая вошла в обиход не раньше XVIII века, когда начался массовый учёт населения. Таким образом, предок носителя этой фамилии был, скорее всего, человеком с прозвищем Хилтух, жившим в зоне контакта с калмыками или другими кочевыми народами, и его потомки стали Хилтухиными.