Фамилия Килюшин — редкий случай, когда основа, скорее всего, не календарное имя, а прозвище, причём с неочевидной мотивацией. Модель образования проста: суффикс -ин указывает на принадлежность «сын такого-то» или «человек из семьи такого-то», а корень Кил- — это основа прозвища Килюша.

Самая вероятная версия связывает фамилию с диалектным глаголом «килить» или «килять». В северных и сибирских говорах это значило «бить, колотить, хлестать», а также «выживать, притеснять». Прозвище Килюша могли дать человеку драчливому, задиристому, либо, наоборот, тому, кого постоянно «килят» — обижают и гоняют. Второй, более мирный вариант — от слова «кила» (грыжа, опухоль). В старину «килой» называли и болезненного человека, и того, кто «килится» — сутулится или горбится. Это объяснение слабее: фамилии от названий болезней встречаются, но реже, чем от действий.

Есть и третья, совсем локальная возможность. В псковских и тверских говорах «килюша» — это кличка рыбака, который ловит рыбу на «кильцы» (особые крючки). Тогда предок был не драчуном, а рыбаком с определённой снастью. Но эта версия спорна: слишком узкое значение, чтобы стать устойчивым прозвищем.

Фамилия явно недворянская и не священническая. Суффикс -ин и отсутствие в старых боярских списках указывают на крестьянское или мещанское происхождение. Географически фамилия привязана к северу и северо-западу России: Архангельская, Вологодская, отчасти Новгородская области. Там же встречаются однокоренные фамилии Киляков, Кильдин, Килеев — все они образованы от местных вариантов того же корня.

В написании путаница редкая: иногда встречается вариант Киллюшин (с двумя «л»), но основная форма — через одно «л». В дореволюционных метрических книгах фамилию могли записать на слух как Келюшин, но это уже искажение.