Фамилия Кильмишенко — редкий пример восточнославянской фамилии, образованной от тюркского корня. Её основа, скорее всего, восходит к тюркскому слову «кильмиш» или «кельмиш», что значит «пришедший», «прибывший». В татарском, башкирском и других тюркских языках форма «кильмиш» — это причастие от глагола «киль» (приходить). Таким образом, прозвище Кильмиш могли дать пришлому человеку, переселенцу или тому, кто недавно появился в селении. Фамилия наглядно фиксирует факт миграции предка.

Суффикс -енко — типичный украинский патронимический формант, означающий «сын» или «потомок». Он широко распространён в Левобережной Украине, в частности на Полтавщине, Черниговщине и Слобожанщине. Сочетание тюркского корня с украинским суффиксом указывает на то, что носитель фамилии — потомок человека, который пришёл с востока (возможно, из татарской или ногайской среды) и осел в украинских землях. Такие фамилии нередки в зонах исторического контакта славян и тюрков — на юге России и востоке Украины.

В написании фамилии есть особенность: первая часть «Киль-» (с мягким знаком) указывает на мягкое произношение. В тюркских языках звук «к» перед «и» обычно смягчается, что и отразилось в русской/украинской передаче. Без мягкого знака (Килмишенко) фамилия встречается реже, но это — вариант, возникший при упрощении письма.

Сравнение с однокоренными фамилиями показывает, что Кильмишенко стоит в одном ряду с Кильмишевым, Кильмишевским и просто Кильмишем. Все они восходят к одному прозвищу, но суффиксы различают регионы: -ев типичен для русских фамилий, -енко — для украинских. Географически Кильмишенко чаще всего встречается на юго-востоке Украины (Харьковская, Донецкая области) и в приграничных областях России (Ростовская, Воронежская). Это подтверждает версию о миграции предка из степных районов.

Точных сведений о сословной принадлежности первых носителей нет. Скорее всего, предки были крестьянами или казаками — именно в этих средах прозвища по происхождению (пришлый, чужак) давали особенно часто. Фамилия не знатная, но исторически точная: она прямо говорит о том, откуда пошёл род.