Фамилия Кильменинов — редкий пример, где географическая основа прослеживается почти однозначно, а вот корень ставит перед исследователем загадку. Начинать стоит с суффикса: перед нами типичная русская патронимическая модель «-ов» (чьим сыном считали? — Кильмениновым), но удвоенная — фактически это притяжательное прилагательное от фамилии или отчества, стоявшего в форме Кильменин. То есть исходным было прозвище или именование Кильменя, а уже от него образовали сначала краткую форму на «-ин», а затем и полную фамилию.

Сам корень «Кильмен-» с высокой вероятностью отсылает к топониму. В русской ономастике известен гидроним Кильмень — так называется река в Архангельской области, левый приток Северной Двины. На её берегах стояли деревни, жителей которых могли прозвать «кильменскими», а затем и «кильмениновыми». Есть и другая река Кильмень в бассейне Печоры. Вероятно, основатель рода переехал с одного из этих мест и получил прозвище по реке: Кильменя — «тот, кто с Кильмени». Модель «река → прозвище → фамилия» для Русского Севера обычна, и суффикс «-инов» здесь поддерживает версию: он часто встречается именно в северных фамилиях, образованных от названий рек и урочищ.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с финно-угорским субстратом. На Севере России много гидронимов на «-мень», восходящих к прибалтийско-финским языкам: например, «кильмен» может значить «рыбное место» или быть производным от карельского «kylmä» (холодный). В таком случае фамилия Кильменинов — не столько географическая, сколько этническая метка: предка могли прозвать Кильменей за его происхождение из карельских или вепсских земель.

В дореволюционных источниках фамилия встречается редко, но единичные записи есть по Архангельской и Вологодской губерниям. Сословно носители, скорее всего, были государственными крестьянами или мещанами — типичная среда для северных фамилий с топонимической основой. Никаких громких исторических личностей с этой фамилией не зафиксировано, что только подтверждает её локальный, «речной» характер.