Фамилия Пилева — женская форма фамилии Пилев, и чтобы понять её происхождение, нужно разобраться с мужским вариантом. В основе фамилии лежит прозвище или нецерковное имя Пила. Скорее всего, оно происходит от названия инструмента — пилы. В русских говорах слово «пила» имело не только прямое значение, но и переносное: так могли назвать бойкого, въедливого человека, «пилящего» окружающих придирками, или, наоборот, того, кто много и усердно пилил дрова — работа была тяжёлой и распространённой. Модель образования простая: к основе Пиле- (от «пила» с чередованием согласных л/л’) добавился патронимический суффикс -ев, указывающий на принадлежность: «сын Пилы». Фамилия закрепилась в форме притяжательного прилагательного, что типично для русского ономастикона.

Географически фамилия Пилева встречается в разных регионах, но заметна концентрация на Русском Севере и в Поволжье — в Архангельской, Вологодской, Кировской областях, а также в Пермском крае. Это не случайно: именно в северных и лесных районах плотницкое и столярное дело было основным промыслом, и прозвища по орудиям труда здесь давали часто. Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с диалектным словом «пила» в значении «губа» или «рот» (в некоторых говорах), тогда прозвище могло относиться к говорливому человеку.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Пилов, Пилкин, Пилков — показывает, что суффикс -ев в Пилеве указывает на более архаичную форму основы. В отличие от фамилии Пилов, где основа просто «пил-», в Пилеве сохранился гласный «е», восходящий к старой форме именительного падежа (Пила). Это делает фамилию ценной для историков языка: она фиксирует произносительную норму, бытовавшую в северных говорах.

Сословно носители фамилии Пилевы относились преимущественно к крестьянам и ремесленникам, что подтверждается переписными книгами XVII–XVIII веков. Встречаются упоминания о Пилевых-плотниках в Вятской губернии. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — это чисто народная, «ремесленная» фамилия, без аристократического налёта.