Фамилия Лилюев — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не профессия, а, скорее всего, прозвище, связанное с цветком. Корень «лил(и)» прямо указывает на лилию. В русской ономастике такие «цветочные» фамилии встречаются, но обычно они образованы от женских имён (Лилия, Лиля) или от названий растений в качестве прозвища. Суффикс «-ев» (а не «-ов») — верный признак того, что основа оканчивалась на мягкий согласный или на «й». Здесь он присоединился к основе «Лилюй» или «Лилю».

Вероятнее всего, исходным было прозвище Лилюй. Так могли назвать человека за нежную внешность, любовь к цветам, а возможно, и за манеру одеваться — что-то белое или нарядное. В некоторых говорах «лилея» означала не только цветок, но и красивую, статную девушку, но прозвище могло быть дано и мужчине — в насмешку или, наоборот, с лаской. Не исключён и вариант происхождения от уменьшительной формы крестильного имени Илья или Елисей (через народные формы Лиля, Лилюха), но это менее вероятно: тогда фамилия звучала бы как Лилин или Лилюхин.

География фамилии подсказывает, что её корни — в южнорусских или поволжских регионах, где встречались фамилии на «-юев» и «-еев» с мягкой основой. Встречаемость крайне низкая: Лилюевы — это, как правило, одна-две ветви, разошедшиеся по разным губерниям в XIX веке. Фамилия недворянская, нестарая — скорее всего, она оформилась в среде крестьян или мещан после отмены крепостного права, когда многим давали фамилии по прозвищам.

В написании возможна путаница: иногда фамилию записывали как Лилюев (с двумя «л»), что усиливает связь с цветком, но в документах встречается и вариант Лилюев с одним «л». Оба написания — варианты одного корня. Сравните с однокоренными фамилиями Лилин, Лилеев, Лилюхин — все они редки и восходят к одному образному ряду: к красоте, хрупкости или иронии.