Фамилия Лилеченко — украинская по модели образования и, скорее всего, южного происхождения. Суффикс -енко, самый распространённый в Украине, указывает на «сына» или «потомка»: Лилеченко — буквально «маленький Лилека» или «сын Лилеки». В основе лежит прозвище или нецерковное имя Лилека.

Корень «лил-» сразу отсылает к глаголу «лить» или к существительному «лилия», но здесь важна именно уменьшительная форма. Прозвище Лилека могли дать человеку по роду занятий — литейщику, мастеру по отливке металла (от «лить»), или же по внешности или характеру, сравнивая с цветком лилии (в украинском языке «лілея»). Вторая версия менее вероятна для прозвища: цветочные имена чаще давали женщинам, а фамилия образована от мужской основы.

Более правдоподобно, что Лилека — это производное от имени Лилия или Елисей (в народной форме Лилей, Лиля). В украинской традиции нередко усекали и смягчали канонические имена: так Елисей мог превратиться в Лилея, а затем в прозвище Лилека. Тогда Лилеченко — потомок человека по имени Лилека, которое было домашней формой крестильного имени.

Фамилия редкая. Встречается в центральных и восточных областях Украины, а также среди потомков украинских переселенцев на Кубани. В дореволюционных метрических книгах Лилеченко фиксировались в основном как казаки или крестьяне — сословная принадлежность типична для носителей суффикса -енко, который в XVII–XIX веках был массовым именно в этих слоях.

В отличие от фамилий на -ов/-ев, Лилеченко почти не меняла форму: в русских документах её записывали так же, лишь иногда с удвоенной «н» (Лилеченко) или через «ѣ» (Лѣлеченко) в дореволюционной орфографии. Это говорит о том, что фамилия сложилась поздно, уже после закрепления украинской модели фамилеобразования.