Фамилия Килиенко звучит на украинский лад, и это первая зацепка. Её выдает суффикс -енко, который в XVI–XVII веках закрепился на землях современной Украины как главный маркер «сына такого-то» или «потомка». В дословном переводе Килиенко — «маленький Килий» или «сын Килия». Но вот с самим именем Килий всё не так прозрачно, как с Иваном или Петром.

Корень «Кил-» в основе фамилии может восходить к нескольким источникам, и самый вероятный — это прозвище или производное имя. В украинской антропонимии встречается имя Кило, которое, в свою очередь, могло быть сокращением от греческого имени Килиан (в западных областях) или же от славянского слова «кила» — грыжа, шишка, нарост. Прозвища по физическим особенностям в народе давали охотно, так что предок-носитель мог получить уличное имя Кило из-за заметной особенности тела. Впрочем, есть и менее очевидная версия: в южнорусских говорах «кила» означала также болотную кочку или холмик, а «килиться» — пробираться с трудом. Тогда прозвище могло относиться к человеку коренастому или упрямому.

Суффикс -енко чётко указывает на украинское происхождение фамилии. По статистике распространения, Килиенко встречается в основном в центральных и восточных областях Украины, а также среди потомков переселенцев на Кубани и в Сибири. В русских переписных книгах и ревизских сказках XVIII–XIX веков эта фамилия почти не попадается — она оставалась в среде казачества и крестьянства малороссийских губерний. Сословная принадлежность носителей, скорее всего, была крестьянской или казачьей, без дворянских корней: фамилии на -енко редко жаловали вместе с титулом.

В написании фамилии есть один нюанс. Встречается вариант «Килиенко» с одним «н», что грамматически верно для украинской модели, но в русской среде иногда путали и писали «Килленко» с двойной «л» — под влиянием западных фамилий вроде Киллер или немецкого Килль. Однако исходная форма именно с одной «л», и удвоение — ошибка переписчиков или паспортистов XX века.