Фамилия Кильмухамедов — яркий пример того, как в русской фамильной модели закрепилось тюркское имя. Её основа — составное мужское имя Кильмухамед, распространённое у башкир, татар и других тюркоязычных народов. Первая часть «Киль» восходит к глаголу со значением «приходи» или «явись» (в повелительном наклонении), а вторая — «Мухамед» (араб. «восхваляемый», одно из имён пророка). В буквальном, пожелательном смысле имя означает «Приди, Мухамед» или «Явись, Мухамед» — типичный для исламской ономастики случай, когда имя-оберег или имя-призыв давали ребёнку как молитву о его рождении и покровительстве.

Русский суффикс «-ов» указывает на принадлежность: Кильмухамедов — «сын Кильмухамеда», «из рода Кильмухамеда». Так фамилия оформилась в среде, где тюркские имена уже адаптировались к русской грамматике — скорее всего, в смешанных регионах Поволжья и Приуралья, где веками жили татары, башкиры, мишари, а также русские. Фамилия недворянская и нестаринная в великорусском смысле: она возникла не раньше XVIII–XIX веков, когда у нерусских народов начали массово фиксировать фамилии по отчеству.

Любопытна редкая для русского уха конструкция основы: в ней три корня (Киль- + Мухамед- + -ов), причём первый элемент «Киль» в бытовой речи часто редуцируется или искажается. Это породило варианты написания — Кильмухаметов, Кильмухамедов, а иногда и упрощённое Кильметов. Но исходная форма с «Мухамед» точнее передаёт арабскую основу.

По социальному срезу предки носителя этой фамилии — скорее всего, крестьяне или сельские жители, возможно, из башкирских вотчинников или тептярей. Среди известных носителей выделяются спортсмены и деятели культуры из Татарстана и Башкортостана, но в целом фамилия остаётся региональной, не выходящей за пределы урало-поволжского ареала.