Фамилия Киличенко звучит как типичная украинская фамилия, и суффикс -енко указывает на происхождение с территории современной Украины или южных регионов России. В основе лежит имя или прозвище Килика, Килик или Килико. Это краткая форма от крестильного имени Киликей, которое в православных святцах встречается в виде Киликий или Киликия. Само имя восходит к греческому названию области Киликия в Малой Азии — так могли назвать человека, имевшего отношение к этому региону, либо паломника, либо купца. Но есть и более бытовая версия: в южнорусских говорах «киликать» означало «кричать, звать», а «килик» — крикун или зазывала. Предок Киличенко вполне мог быть человеком с громким голосом, возможно, глашатаем или торговцем, зазывавшим покупателей на базаре.

Фамилия образована по продуктивной украинской модели: основа (Килик-) плюс патронимический суффикс -енко, буквально означающий «сын Килики» или «потомок Килика». В документах XVII–XVIII веков на территории Гетманщины и Слобожанщины фамилии на -енко массово фиксировались у казаков и крестьян. Киличенко — не дворянская фамилия, а скорее казацкая или мещанская, что подтверждается её распространением в Черниговской, Полтавской и Харьковской областях. Встречаются варианты написания — Киличенко и изредка Киличенко с одним «к» в корне, хотя нормативным считается двойное «к» в суффиксальной части.

Редкость этой фамилии в том, что она не перегружена альтернативными этимологиями: большинство исследователей сходятся на прозвищном происхождении от глагола «киликать» или от имени Киликей. В отличие от фамилий типа Килин или Киликов, где возможна связь с тюркским «киль» (приходи), здесь украинский контекст почти бесспорен. Географическая привязка к левобережной Украине и отсутствие фамилии в старых московских переписях подтверждает, что Киличенко — фамилия поздняя, оформившаяся не раньше XVII века.