Фамилия Холодиловых образована от прозвища или мирского имени Холодило. В русской ономастике суффикс -ило указывает на деятеля: так называли человека по его характерному действию или свойству. Холодило — это не «холодный» в прямом смысле, а тот, кто «холодит», то есть остужает, приводит в холодное состояние. Такие прозвища часто давали людям сдержанным, невозмутимым, не поддающимся эмоциям, либо же тем, кто работал с холодом — например, на ледниках или в погребах.

Модель образования через суффикс -ило с последующим присоединением -ов типична для северных и центральных регионов России. Сравните с фамилиями Губилов, Крутилов, Томилов: все они строятся по одному принципу — от глагольной основы имени деятеля. В отличие от более массовых фамилий на -ов от прилагательных (Холодов, Холодный), Холодиловых выделяет именно глагольная природа корня: прозвище было связано не с состоянием, а с действием.

Другая версия — связь с диалектным словом «холодило» в значении «погреб, ледник». В этом случае фамилия могла закрепиться за владельцем или сторожем такого сооружения. Но первая гипотеза правдоподобнее: прозвища по внешним или внутренним качествам встречаются чаще, чем по ремесленным объектам.

Географически фамилия редкая. По данным переписей XIX–XX веков, Холодиловы встречались в основном в Вологодской и Архангельской губерниях, на Русском Севере, где суффикс -ило в прозвищах был особенно распространён. В центральных областях эта фамилия почти не фиксировалась. Сословно предки могли быть как крестьянами, так и посадскими людьми — определённой привязки к дворянству или духовенству нет.

В написании фамилия устойчива: вариант Холодиловых — это форма родительного падежа множественного числа, которую используют в ответе на вопрос «чьи?». В быту чаще встречается мужская форма Холодилов. Фамилия не имеет вариантов с чередованием корня (вроде Холоделов), что говорит о поздней фиксации и отсутствии диалектных искажений.