Фамилия Пихтилева образована от мужского варианта Пихтилев, а тот, в свою очередь, — от прозвища или нецерковного имени Пихтиль. Основа здесь — редкое слово «пихтель» или «пихтиль», которое в северных и сибирских говорах означало нечто маленькое, невзрачное, а также могло относиться к человеку низкого роста или тщедушного сложения. Встречается и другая версия: в диалектах «пихтить» — тяжело дышать, пыхтеть, так что прозвище Пихтиль могли дать человеку медлительному или с одышкой.

Словообразовательная модель фамилии типична для русского Севера и Поволжья: основа на мягкий согласный (-ль) плюс суффикс притяжательного прилагательного -ев-. Это указывает на то, что фамилия закрепилась в форме «чей?» — сын Пихтиля, то есть Пихтилев. Суффикс -а на конце — женский вариант, по мужу или отцу.

С географической точки зрения, фамилия Пихтилев (и, соответственно, Пихтилева) тяготеет к северным областям: её фиксировали в Вологодской, Архангельской и Кировской губерниях. Встречаемость низкая, что говорит о локальном происхождении — скорее всего, от одного прозвища в конкретной деревне или волости. В отличие от массовых фамилий на -ов/-ев, образованных от крестильных имён, эта держится на диалектном слове, которое почти не сохранилось в литературном языке.

Искать точное значение прозвища стоит в контексте характера или внешности предка, а не его профессии. Ремесленной основы в слове «пихтиль» нет — это бытовая, описательная характеристика. Если опираться на словарь Даля, то «пихтель» в ряде говоров — ещё и название гриба-дождевика или грузного, неуклюжего человека, что добавляет третью, шутливую, версию происхождения.

Сословно фамилия не даёт подсказок: её носители могли быть и крестьянами, и мещанами, и духовными лицами — прозвищная основа не привязана к какому-либо одному социальному слою. Спорных версий немного, и самая правдоподобная — именно «малорослый, щуплый человек», поскольку фамилии с уменьшительно-пренебрежительным оттенком на -иль в северных говорах не редкость (ср. Коптиль, Соплиль).