Фамилия Лилюхина — женская форма фамилии Лилюхин, а та, в свою очередь, образована от прозвища или имени Лилюха. Это типичная для русской ономастики модель: суффикс -ин указывает на принадлежность («чей?» — сын Лилюхи), а основа восходит к разговорному варианту личного имени.

Самая вероятная версия происхождения — от уменьшительно-ласкательной формы имени Лилия. В народной речи такие формы, как Лиля, Лилюха, Лилюша, были распространены и в дореволюционной России, и в советское время. Имя Лилия вошло в обиход как церковное (в честь святой Лидии, но с народным переосмыслением) и как светское, особенно популярное в XIX–XX веках. Таким образом, Лилюха — это «маленькая Лилия», ласковое прозвище девочки или женщины.

Менее распространённая, но возможная версия — связь с диалектным словом «лилюха». В некоторых говорах (например, в тверских и псковских) так называли куклу или игрушку, а также могли прозвать человека за маленький рост или детскую внешность. Однако эта гипотеза уступает первой по частоте бытования: фамилия встречается в основном в центральных регионах России, где имя Лилия было популярно.

Фамилия Лилюхин/Лилюхина фиксируется в документах с конца XIX века, преимущественно в крестьянской среде. Встречается в Тульской, Рязанской и Московской губерниях. Сословная принадлежность носителей — в основном крестьяне и мещане, что типично для фамилий, образованных от женских имён (иногда такие фамилии давали детям, выросшим без отца, или по имени матери).

С точки зрения словообразования фамилия проста: корень Лиль- (от Лилия), суффикс -юх- (уменьшительно-ласкательный, как в «тетюха», «бабюха») и фамильный суффикс -ин. Похожие по модели фамилии — Лилин, Лилюшкин, Лилькин. Вариант Лилюхин встречается реже, чем Лилькин, но сохраняет ту же народную основу.