Фамилия Кильгаева образована по самой распространённой в русском языке модели — с помощью суффикса -ев, который присоединяли к основам, оканчивающимся на мягкий согласный или шипящий. В данном случае это женская форма фамилии Кильгаев, которая, в свою очередь, произошла от мужского прозвища или имени Кильгай. В центре внимания — именно основа «Кильгай», и её происхождение неочевидно, что делает фамилию особенно интересной для этимолога.

Скорее всего, корень фамилии — тюркский. В тюркских языках (татарском, башкирском, казахском) слово «киль» или «кил» означает «приходи», а «гай» — суффикс или часть имени. Однако более вероятно, что в основе лежит личное имя Кильгай, которое могло быть образовано от глагольной формы «киль» (приди) с добавлением аффикса, означающего повелительное наклонение или пожелание. Такие имена-пожелания (например, Кильдебек, Кильмухамет) были распространены у тюркских народов: родители давали ребёнку имя, которое должно было призвать удачу, здоровье или долголетие. Таким образом, Кильгай могло значить «приди (будь) счастливым» или «будь желанным».

Второй, менее вероятный, вариант — связь с мордовскими (эрзянскими или мокшанскими) языками, где слово «кильга» или «кильги» может означать «кривой» или «изогнутый». В этом случае прозвище Кильгай дали бы человеку с какой-то характерной внешней особенностью — например, с кривой ногой или косым взглядом. Но тюркская версия выглядит предпочтительнее, учитывая ареал распространения фамилии: Кильгаевы чаще всего встречаются в Поволжье, в частности в Татарстане, Башкортостане и соседних областях, что указывает на связь с татарской или башкирской культурой.

Примечательна и сама словообразовательная конструкция: суффикс -ев, а не -ин, говорит о том, что прозвище Кильгай воспринималось как имя или прозвище на согласный (звук «й» на конце слова в русской традиции передавался как мягкий знак или просто считался согласным). Фамилия не получила широкого распространения за пределами Урало-Поволжья, что подтверждает её локальный, региональный характер. В дореволюционной России носители такой фамилии, скорее всего, были государственными или ясачными крестьянами, а не дворянами, — фамилия не встречается в родословных книгах знатных родов.