Фамилия Киленко — типичный пример украинской модели образования на -енко, которая означает «маленький», «сын» или «потомок». В данном случае — «сын Килы» или «потомок Килы». Суффикс -енко в XVII–XVIII веках массово закрепился за казацкими и крестьянскими родами Левобережной и Слободской Украины, поэтому географически фамилия чаще всего встречается в Черниговской, Полтавской, Сумской областях и на Кубани, куда переселялись запорожцы.

В основе фамилии лежит прозвище Кила. В народной речи килой называли грыжу, опухоль или шишку — такое прозвище мог получить человек, страдавший этим недугом. Однако у слова было и переносное значение: «кила» говорили о медлительном, неповоротливом или упрямом человеке, который «застрял» как грыжа. В некоторых говорах «кила» означала также зазубрину на инструменте или сучок на дереве — тогда прозвище могло относиться к плотнику или ремесленнику, работавшему с бракованным материалом.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с уменьшительной формой имени Кирилл. В украинском языке имя Кирило давало производные Килько, Киля, а от них — Киленко. Такой путь образования (от канонического имени через усечённую форму) встречается у многих фамилий на -енко, например, Петренко от Петро или Иваненко от Иван.

Стоит отметить, что фамилия Киленко не относится к дворянским — её носители были в основном казаками, крестьянами или мещанами. В ревизских сказках XIX века она фиксируется в основном в Полтавской губернии. В XX веке часть носителей переселилась в Сибирь и на Дальний Восток в ходе столыпинской реформы и освоения целины.