Фамилия Килеевы (в мужском варианте — Килеев) происходит от личного прозвища Килей. Чаще всего его связывают со словом «кила» — так в старину называли грыжу или опухоль. Прозвище Килей могли дать человеку, страдавшему такой болезнью, либо, в переносном смысле, нерадивому работнику, который «килой лежал» и отлынивал от дела. Такое объяснение кажется наиболее прямым и правдоподобным.

Существует и другая версия — от слова «килье», что в некоторых говорах означало «старик» или «дряхлый человек». Тогда прозвище могло указывать на возраст или внешность. Ещё один возможный корень — «киль» (колок, часть струнных инструментов). Если это так, то предок носителей фамилии мог быть музыкантом, настраивавшим гусли или скрипку. Все эти версии объединяет то, что фамилия образована от прозвища по характерному признаку, а не от крестильного имени.

По словообразовательной модели фамилия Килеев — типичная русская патронимическая фамилия на -ев. Суффикс -ев указывает на принадлежность: «сын Килея». Такая форма была самой распространённой в центральных и северных регионах России. О точном месте возникновения фамилии говорить сложно: процесс закрепления прозвищ в фамилии шёл несколько столетий, и единичные случаи фиксации могли произойти в разных губерниях независимо друг от друга.