Фамилия Кильченко звучит как типичная украинская фамилия, и это верное первое впечатление. Она образована по продуктивной для украинского языка модели с суффиксом -енко, который в XVI–XVII веках закрепился как основной патронимический (от имени отца) и означал «маленький», «сын такого-то». В данном случае — «сын Килька» или «потомок Килька».

Основа фамилии — прозвище или неканоническое имя Килько. Здесь есть две основные версии происхождения, и обе имеют право на существование. Первая: Килько — это уменьшительная форма от крестильного имени Кир (или Кирилл). В народной среде имена часто усекали и добавляли суффиксы субъективной оценки: Кир > Кирька > Килько. Вторая версия, более прозаичная, связывает прозвище с рыбой килькой. Такое прозвище могли дать либо мелкому человеку (невысокому, щуплому), либо, наоборот, рыбаку или торговцу рыбой. В пользу этой версии говорит то, что прозвища «по рыбе» — Килька, Сельдь, Ёрш — встречаются в украинской и южнорусской антропонимике.

Суффикс -енко в фамилии Кильченко претерпел характерное фонетическое изменение: основа на -к перед суффиксом перешла в -ч (Кильк-о + -енко = Кильченко). Это стандартный процесс ассимиляции, который мы видим в фамилиях типа Шевченко (от Шевко) или Ковальченко. Таким образом, написание через «ч» — не ошибка, а закономерный результат развития языка.

Географически фамилия Кильченко тяготеет к центральным и восточным областям Украины, особенно к Полтавщине и Черкащине — регионам, где фамилии на -енко наиболее массовы. В России эта фамилия встречается реже и чаще всего связана с миграцией украинского крестьянства в XVIII–XIX веках на Кубань, Дон и в Новороссию.

Сословно носители фамилии Кильченко в подавляющем большинстве были казаками или крестьянами. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что неудивительно для патронимической модели, распространенной в низших и средних слоях населения. Если искать параллели, то однокоренные фамилии — Килько (без суффикса), Кильчевский (с польским шляхетским суффиксом), а также упомянутые выше Шевченко и Ковальченко — показывают, как из одного прозвища могли вырасти разные фамильные формы.