Фамилия Лилко звучит нехарактерно для русского уха — коротко, с ударением на первый слог. И это подсказка: перед нами, скорее всего, украинская или белорусская фамилия, образованная по модели, типичной для западнорусских земель. Суффикс -ко — один из самых распространённых в украинской ономастике, он выполняет роль уменьшительности или указывает на принадлежность (как в фамилиях Шевченко, Коваленко). В основе же лежит прозвище Лилко, Лилка или Лыло.

Самая вероятная версия происхождения — от древнерусского или диалектного слова «лыло», которое в некоторых говорах означало «морда», «рыло», а в переносном смысле — «наглец», «бесстыжий человек». Фамилии с таким корнем (Лылов, Лылкин, Лилкин) фиксируются в писцовых книгах XVI–XVII веков. Форма Лилко могла возникнуть как результат аканья (произношения «ы» как «и») или как фонетический вариант той же основы. Менее вероятна, но допустима связь с личным именем Лило — краткой формой от Филлип (Филипп) или Лиодин (Лиодор). В таком случае фамилия означала бы «сын Лила», но эта гипотеза слабее, поскольку имя Лило в восточнославянской традиции редкое.

Географически фамилия тяготеет к Черниговской, Полтавской и Киевской губерниям — регионам, где суффикс -ко был нормой, а диалектное «лыло» входило в обиход. В метрических книгах XIX века Лилко встречаются среди казаков и мещан. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что указывает на крестьянское или казачье происхождение: предок, скорее всего, получил прозвище за характер или внешность и передал его детям без изменений.

В современной России фамилия редкая, её носители живут в основном на юге и юго-западе. Написание через «и» закрепилось, вероятно, при записи в паспортных столах XX века, где акающее произношение «Лилко» записали буквально, а исходное «Лыло» ушло в прошлое.