Фамилия Лилишенцев — редкий пример, где словообразовательная модель расходится с привычными правилами. Суффикс -ев в русских фамилиях обычно присоединяется к основам на мягкий согласный или -й (как в фамилии Лазарев от имени Лазарь). Здесь же основа Лилиш- явно восходит к названию цветка лилия — слову женского рода. По аналогии с фамилией Розов (от роза), можно было бы ожидать форму Лилишев или Лилин. Однако появился -цев, что указывает на иную логику образования.

Скорее всего, в основе лежит не прямое название цветка, а прозвище Лилиша. Такое прозвище могло возникнуть в семинарской среде, где фамилии часто давали по церковной символике. Лилия в христианстве — эмблема чистоты и непорочности, поэтому прозвище Лилиша могли дать семинаристу, отличавшемуся кротким нравом или безупречным поведением. Суффикс -ша в прозвищах характерен для южных и западнорусских говоров (ср. Гриша, Миша), что может указывать на географическое происхождение предка.

Фамилия образована по модели притяжательных прилагательных: Лилиша → Лилишев (чей? — сын Лилиши). Но затем, под влиянием распространённых фамилий на -цев (типа Кузнецов, Стрельцов), произошло наращение суффикса. Такое смешение моделей встречается у фамилий, возникших в позднее время — в XVIII–XIX веках, когда семинарские и искусственные фамилии активно оформлялись по канцелярским шаблонам.

Таким образом, носитель фамилии Лилишенцев, скорее всего, потомок человека, получившего прозвище по цветочной символике — либо семинариста, либо крестьянина, которого за чистоплотность или благочестие прозвали Лилишей. Фамилия осталась редкой: в современных справочниках она почти не встречается, а её носители сосредоточены в центральных регионах России.