Фамилия Килимова — женская форма, а её основа, мужская фамилия Килимов, образована от имени или прозвища Килим. В русском языке суффикс -ов указывает на принадлежность («чей?»), то есть Килимов — сын Килима. Само имя Килим — это, скорее всего, народная форма тюркского имени Келим, которое восходит к арабскому «калим» — «говорящий», «оратор». В тюркских языках, особенно у татар и башкир, имя Келим было распространено, и от него через адаптацию к русскому произношению (замена «е» на «и») возникло Килим.

Есть и другая, менее вероятная версия: связь с русским словом «килим» — так в некоторых южных говорах называли безворсовый ковёр, палас. В этом случае прозвище Килим мог получить ткач или торговец коврами. Однако эта гипотеза слабее, потому что фамилия Килимов встречается в основном в Поволжье и на Урале, в зоне активных русско-тюркских контактов, где тюркские имена были обычны. Если бы корень был чисто русским, фамилия чаще бытовала бы в центральных и южных губерниях, но этого не наблюдается.

Географически Килимовы сосредоточены в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Челябинской областях. Это указывает на этническую основу: предки носителей фамилии, скорее всего, были крещёными татарами или башкирами, принявшими православие, или русскими, жившими в смешанной среде и получившими прозвище от тюркского имени соседа. В документах XVIII–XIX веков такие фамилии нередко фиксировали у государственных крестьян и бывших служилых людей, которые несли сторожевую службу на юго-восточных границах.

Словообразовательная модель проста: основа Килим- плюс типичный русский патронимический суффикс -ов. Ударение в фамилии обычно падает на второй слог — Кили́мова, хотя в некоторых говорах возможно смещение на первый. В целом, фамилия Килимова — яркий пример того, как тюркское личное имя, пройдя через русскую фамильную систему, стало звучать по-русски, сохранив память о восточных корнях предка.