Фамилия Килыб настолько редкая, что её происхождение приходится восстанавливать по крупицам, привлекая данные смежных языков и диалектов. В отличие от большинства русских фамилий, она не заканчивается на -ов, -ин или -ский, что сразу указывает на её нерусскую основу. Скорее всего, перед нами пример фамилии, которая была записана на слух без адаптации к русской морфологии — своего рода «застывшее» прозвище или имя.

Наиболее вероятная версия связывает Килыб с тюркскими языками. В них корень «кыл» означает «волос» или «щетина», а также «делать, совершать» (в глагольной форме). Аффикс «-ыб» в тюркских языках может образовывать причастия или деепричастия. Таким образом, «кылыб» могло означать «сделавший», «совершивший», или, если исходить из значения «волос», — «волосатый», «щетинистый». Второй вариант правдоподобнее для прозвища: так могли назвать человека с густыми, жёсткими волосами или небритой щетиной. Встречается и более узкое значение в некоторых тюркских диалектах: «кыл» — тонкий, как волос, отсюда прозвище могло указывать на худощавое телосложение.

Менее вероятна, но возможна связь с финно-угорскими языками Поволжья, например, с марийским или удмуртским, где встречаются похожие звукосочетания, но надёжных параллелей не находится.

География фамилии практически не изучена. В современных базах данных носители Килыб встречаются единично, и нет оснований привязывать её к конкретному региону. Можно предположить, что предки носителя фамилии были выходцами из татарской, башкирской или другой тюркоязычной среды, а сама фамилия закрепилась как прозвище, перешедшее в паспортное имя. Из-за редкости и нестандартного окончания фамилия могла подвергаться искажениям при записи в метрических книгах, поэтому не исключено, что исходная форма звучала как Кылыб, Кылыпов или Кылыбаев, но со временем упростилась.