Фамилия Килийская — это женская форма фамилии Килийский, и её происхождение почти наверняка связано с географическим названием. В русской ономастике фамилии на -ский/-цкий традиционно указывают на связь с местностью: либо человек владел землёй (дворянский вариант), либо просто жил в определённом месте. В случае с фамилией Килийский наиболее очевидная основа — топоним Кили́я. Это древний город на юге Одесской области Украины, расположенный в дельте Дуная. История Килии уходит в глубь веков: она известна с XIV века как генуэзская колония, затем была под властью Молдавского княжества, Османской империи и Российской империи. Поэтому предок, получивший фамилию Килийский, мог быть выходцем из этого города или иметь к нему административное отношение.

Менее вероятна, но возможна связь с названием реки Кили́я — одного из рукавов дунайской дельты. В этом случае фамилия указывала бы на человека, жившего на берегах этой реки. В любом случае, корень «Кили-» здесь не славянский, а тюркского или греческого происхождения (по разным версиям, от тюркского «кылыч» — меч, или от греческого «κέλλια» — кладовые). Сама фамилия — искусственная модель, типичная для XIX века, когда многие крестьяне и мещане получали фамилии по месту жительства при переписях или после отмены крепостного права.

Суффикс -ск- в этой фамилии — не уменьшительный, а притяжательно-относительный, он превращает географическое название в указание на принадлежность. В отличие от фамилий на -ов/-ин, которые чаще образовывались от имён и прозвищ, Килийский (и Килийская) — яркий пример «территориальной» фамилии. В дореволюционной России такие фамилии могли носить как дворяне (если владели имением в тех краях), так и духовенство (семинаристы часто брали фамилии по названиям сёл и городов). Но для фамилии Килийский дворянское происхождение маловероятно: Килиецкая или Килийская волость не была исконно русской вотчиной, а в списках столбового дворянства эта фамилия не встречается.

Сейчас фамилия Килийская встречается нечасто и распространена в основном на юге Украины, в Одесской области, а также среди потомков переселенцев в России. Из-за редкости фамилии её носители часто оказываются родственниками, и генеалогический поиск может вывести именно на бессарабские или херсонские корни. Спорных версий у фамилии практически нет: альтернативные толкования (от слова «киль» или от имени Кирилл) лингвистически слабы, так как суффикс -ск- в таких случаях нехарактерен.