Фамилия Нейленко звучит нехарактерно для славянского уха, но её окончание -енко, типичное для украинских фамилий, указывает на то, что корень здесь иноязычный. Носители такой фамилии — это украинцы или потомки выходцев с Украины, чей предок получил прозвище или имя, не имеющее славянских корней.

Вероятнее всего, в основе фамилии лежит немецкое имя Нейль (Neul), которое могло быть записано как Нейль, Нейл или даже Нейло. Немецкие колонисты активно переселялись на юг Российской империи, в том числе на территорию современной Украины, в XVIII-XIX веках. Имя Нейль — это вариант имени Корнелиус или сокращение от имени с корнем «neu» (новый). В любом случае, это имя или прозвище попало в украинскую языковую среду, где его адаптировали по местной модели: к основе добавили суффикс -енко, указывающий на принадлежность или происхождение («чей-то сын»). Таким образом, Нейленко — это «сын Нейля» или «потомок Нейля».

Менее вероятна, но возможна версия, что фамилия связана с еврейским именем Нахман (через уменьшительное Нейл). Однако в этом случае форма скорее была бы Нейманенко или Нейлах, а не Нейленко. Немецкое происхождение выглядит убедительнее, особенно с учётом того, что фамилии на -енко активно давали инородцам при их ассимиляции.

С географической точки зрения фамилия редкая и встречается в основном в центральных и восточных областях Украины, а также в русскоязычной среде, куда она попала с миграциями. Сословно предки Нейленко могли быть крестьянами или мещанами, которые получили фамилию по отцу-переселенцу, а не по ремеслу или месту жительства.