Фамилия Палилеев — редкая и с точки зрения словообразования нестандартная. В ней нет привычных для русских фамилий суффиксов -ов, -ин или -ский, что сразу указывает на её искусственное, книжное происхождение. Скорее всего, это семинарская фамилия, которую давали в духовных училищах и академиях в XVIII–XIX веках. Исходная основа — греческое слово «пали» (πάλι), означающее «снова», «опять», «вновь». Получается, что Палилеев — это «сын обновлённого», то есть фамилия, символизирующая духовное возрождение или второе рождение.

Вероятнее всего, фамилию составили из двух греческих корней: «пали» (снова) и «леос» (λαός — народ, люди). В таком случае Палилеев означает «вновь народный» или «восстановленный для народа». Это типичный образец семинарской ономастики: преподаватели греческого языка и риторики нередко создавали фамилии из абстрактных понятий, намекая на христианские добродетели или этапы служения. Альтернативная версия, связывающая фамилию с русским глаголом «палить» (жечь), маловероятна — для такого значения существовала бы форма Палилов или Палихин, а не Палилеев.

Географически фамилия тяготеет к центральным и южным губерниям Российской империи, где было много духовных училищ — например, в Рязанской, Тамбовской, Владимирской губерниях. Встречается она крайне редко, и сегодня её носители — это, скорее всего, потомки священнослужителей или их детей, получивших «говорящую» фамилию при поступлении в семинарию. В отличие от крестьянских фамилий, которые часто закреплялись стихийно, Палилеев — результат осознанного выбора, что делает её своеобразным документом эпохи, когда духовное сословие формировало свою идентичность через греческую образованность.