Фамилия Немиловская — это типичная «географическая» фамилия, образованная по модели, характерной для польской и западнорусской шляхты, а затем и для духовенства. Суффикс -ск- указывает на связь с местом: такую фамилию получал либо владелец поместья, либо выходец из селения с названием Немилово, Немиловка или Немиловичи. Таких топонимов в Беларуси, на Украине и в западных областях России несколько, и все они восходят к личному имени или прозвищу Немил.

Основа фамилии — Немил, древнерусское нецерковное имя. В старину Немилом могли назвать ребёнка «от обратного»: чтобы отвести злые силы, родители давали имя с отрицательным значением, надеясь, что судьба будет милостива. Немил — пара к имени Мил, Милый, которые тоже встречались в документах XV–XVII веков. В «Ономастиконе» С. Б. Веселовского упоминаются Немилы — крестьяне и землевладельцы в Новгородских и Тверских землях.

Форма Немиловская — женский вариант, но в русской традиции он закрепился как фамилия по мужской линии (Немиловский). В польской и украинской среде фамилии на -ский/-цкий часто носили дворяне, владевшие «гнёздами» — поместьями. Если предок Немиловских был мелкопоместным шляхтичем, его фамилия указывала на родовое имение Немилово. Если же фамилия возникла в среде духовенства, её могли дать выпускнику семинарии по названию родного села — так было принято в XIX веке.

Встречается и более прозаичная версия: фамилия могла закрепиться за крестьянином, переселившимся из деревни Немиловка. В таком случае суффикс -ск- терял аристократический оттенок и просто обозначал «родом из Немилова». Где именно находилось это Немилово — в Могилёвской, Витебской или Смоленской губернии — для каждой ветви Немиловских своя история, которую можно восстановить по архивным метрическим книгам.

С точки зрения словообразования, фамилия прозрачна: корень -мил- с отрицательной приставкой не-, суффикс принадлежности -ов- (от имени Немил) и типовой фамильный суффикс -ск- с окончанием -ая. Ударение в большинстве говоров падает на второй слог: Неми́ловская.