Фамилия Лилёв — редкая, и её происхождение уходит корнями не в географическое название или ремесло, а в личное прозвище или уменьшительную форму имени. Основа фамилии — «Лиля» или «Лилёк». Чаще всего это не цветочная метафора, а народная, ласкательная форма крестильного имени Леонид (в быту — Лёня, Лёля, Лиля) или, реже, Елисей. Ударение в фамилии, как правило, падает на второй слог: Лилёв. Суффикс «-ёв» указывает на принадлежность: сын или потомок человека по прозвищу Лилёк или Лиля.

Вторая версия, менее распространённая, но имеющая право на существование, — связь с диалектным словом «лилёк». В некоторых говорах так называли болтливого, пустого человека, а в других — того, кто льёт воду (водоноса) или занимается литьём (например, литейщик на заводе). Однако эта гипотеза слабее: прозвища от глагола «лить» обычно давали по роду занятий, и они образовывали фамилии вроде Литвинов или Льянов, а ласкательное «лилёк» для взрослого мужчины звучит как раз как уменьшительное от имени.

Модель образования «Лилёв» — типичная для русских фамилий, возникших в среде крестьян и мещан в XVII–XIX веках. Фамилия не дворянская и не купеческая, а скорее «бытовая», прозвищная. Географически она встречается точечно, чаще всего в центральных областях России и в Поволжье, но не образует крупных гнёзд. Встречается также вариант написания с буквой «и» — Лилиев, но он уже может указывать на происхождение от женского имени Лилия, что для фамилии на «-ев» редкость.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Лилев, Лиляев, Лилкин — показывает, что основа одна и та же, а суффиксы различаются по региональной или временной моде. Фамилия Лилёв — одна из тех, что сохранила живое, почти домашнее звучание исходного прозвища, которое когда-то дали предку-тезке.