Фамилия Пилегин — одна из тех, что образованы от прозвища, но её основа вызывает споры. Слово «пилега» в русских говорах не зафиксировано, поэтому исследователи предлагают две основные версии, и обе имеют право на существование.

Первая и наиболее вероятная связывает фамилию с диалектным глаголом «пиликать» — играть на смычковом инструменте, чаще всего на скрипке, или, в переносном смысле, издавать однообразный, надоедливый звук. В таком случае прозвище Пилега могли дать либо музыканту-скрипачу, либо человеку с монотонной, нудной речью. Суффикс -ег- в слове «пилега» — редкий, но встречающийся в русских прозвищах (сравните «телега», «синега»). От этого прозвища по стандартной модели образовалась фамилия на -ин: Пилегин, то есть «сын Пилеги».

Вторая версия отталкивается от слова «пила». Возможно, прозвище Пилега закрепилось за человеком, чья профессия или характер ассоциировались с пилой — например, за пильщиком дров или за въедливым, «пилящим» человеком. Однако фонетически переход от «пила» к «пилега» не совсем прозрачен: обычно в таких случаях появляется суффикс -аг- (Пилаг), а не -ег-. Поэтому эта версия менее убедительна, хотя и не исключена полностью.

Географически фамилия Пилегин редкая. Основные очаги её бытования — Поволжье, в частности Ульяновская и Самарская области, а также некоторые районы Урала. Это указывает на то, что фамилия могла сложиться в среде переселенцев из центральной России, где диалектные слова с корнем «пил-» были более распространены.

В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые часто носили духовенство и служилые люди, фамилия на -ин (Пилегин) в большинстве случаев указывала на происхождение от прозвища отца в крестьянской или мещанской среде. Таким образом, предки Пилегиных, скорее всего, были либо крестьянами, либо ремесленниками, и прозвище закрепилось за ними по одному из двух описанных признаков — по занятию музыкой или по особенности характера.