Фамилия Килимиченко — характерный пример восточноукраинской фамилии, образованной по продуктивной модели на -енко. Суффикс -енко в XVI–XVII веках закрепился на землях современной Центральной и Восточной Украины как основной патронимический формант, обозначавший «сына» или «потомка»: Килимиченко — буквально «сын Килимича», а Килимич, в свою очередь, — «сын Килимы». Таким образом, фамилия трёхступенчатая: в её основе лежит личное имя или прозвище Килима.

Самая вероятная версия происхождения основы — от канонического имени Клим (Климент) через народную форму Килим. В украинской народной речи имя Климент нередко трансформировалось: утрата начального к нехарактерна, зато возможна замена плавного л на ли (ср. украинское «килим» — ковёр, но здесь это случайное созвучие, а не прямое значение). Фонетический переход «Клим» → «Килим» встречается в говорах как результат вставки гласного для удобства произношения (эпентеза). Менее убедительна версия о связи с тюркским словом kilim (ковёр) — вряд ли прозвище «Ковёр» стало бы основой для патронимической фамилии, хотя полностью исключать её нельзя, если речь шла о мастере-ковровщике.

Географически фамилия Килимиченко тяготеет к юго-восточным областям Украины — Запорожской, Днепропетровской, Харьковской. Встречается она и на Кубани, что объясняется переселениями запорожских казаков после ликвидации Сечи. В дореволюционных переписях носители фамилии числились преимущественно в крестьянском сословии, среди государственных и бывших войсковых обывателей Слобожанщины.

Словообразовательная цепочка здесь необычна тем, что промежуточная форма Килимич самостоятельно как фамилия почти не фиксируется — это говорит о том, что фамилия закрепилась в тот период, когда патроним на -ич ещё не стал наследственным, а сразу перешёл в «сыновью» форму на -енко. В русских фамилиях аналогом была бы форма Килимичев, но она редка. Таким образом, Килимиченко — типично украинская фамилия, сохранившая след народного произношения церковного имени и чёткую генеалогическую конструкцию.