Фамилия Килелёв — редкий пример, где на стыке основы и суффикса произошло наложение звуков, изменившее привычный облик слова. На первый взгляд она кажется образованной от имени или прозвища Килель, но в русской антропонимии такой основы не зафиксировано. Скорее всего, перед нами вариант фамилии Килеев, Килеевский или Килеевых, где конечный гласный основы слился с суффиксом -ев. Если исходное прозвище звучало как Килей, то при присоединении суффикса «й» перешёл в «л» — явление, известное в диалектной фонетике (сравните: «клей» и диалектное «клель»). Таким образом, Килелёв могло означать «сын Килея» или «потомок Килея».

Само прозвище Килей (или Киля) скорее всего восходит к глаголу «килить» — в русских говорах это слово означало «кричать, шуметь, ссориться» или «бить, колотить». В некоторых регионах «киля» называли задиристого, крикливого человека, а в других — того, кто работает с килем (например, в судостроении или рыболовстве, где киль — часть лодки). Вторая версия менее вероятна, но не исключена: в северных и волжских говорах «киль» — это не только часть судна, но и название рыбы (килька). Однако прозвища от названий рыб в русской традиции редки и обычно имеют переносный смысл (например, «мелкий, как килька»).

Суффикс -ев (в написании -ёв после мягкого согласного) указывает на принадлежность: чей? — Килелёв. Такая модель типична для русских фамилий, возникших в XV–XVII веках в среде крестьян и посадских людей. Фамилия не дворянская и не купеческая — её носителями, скорее всего, были крестьяне из северных или центральных губерний России, где встречались подобные прозвища. Географически фамилия Килелёв редка, но встречается в Вологодской, Архангельской и Костромской областях — как раз в зоне бытования слова «килить» в значении «шуметь».

Известных носителей фамилия не имеет, что типично для редких антропонимов, не попавших в дворянские родословные книги. Однако это не умаляет её ценности для истории языка: Килелёв — живой пример того, как диалектная фонетика и словообразование создают уникальные фамильные формы, не укладывающиеся в стандартные схемы.