Фамилия Пилюева образована от прозвища или нецерковного имени Пилюй. Основа, скорее всего, происходит от глагола «пилить» в переносном смысле — «докучать, надоедать, упрекать». В русских говорах «пилюй» могли называть ворчливого, придирчивого человека, который постоянно «пилит» окружающих. Менее вероятная, но возможная версия — связь с диалектным словом «пилюга» (мелкая рыба, уклейка), но такое прозвище было бы редким и локальным.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Пилюев — сын Пилюя. Это типичная модель русских фамилий, закрепившаяся в XVI–XVII веках. Окончание -а в современной форме Пилюева говорит о том, что перед нами женский вариант фамилии или форма родительного падежа (в ответе на вопрос «чей?»). В мужском роде фамилия звучит как Пилюев.

Фамилия Пилюев фиксируется в основном в центральных и северных регионах России. Встречается она нечасто, что говорит о её локальном происхождении — вероятно, от прозвища одного человека, чьи потомки разошлись по нескольким губерниям. В дореволюционных метрических книгах Пилюевы отмечены, например, в Вологодской и Костромской губерниях, что подтверждает севернорусский след.

С точки зрения словообразования, фамилия интересна тем, что основа не от христианского имени, а от бытового прозвища с яркой эмоциональной окраской. В отличие от фамилий на -ин (Пилюгин, Пилюхин), форма на -ев встречается реже и говорит о более позднем закреплении. Сравните с однокоренными Пилюгин (от «пилюга» — пила или рыба) и Пильников (от названия профессии) — Пилюев стоит особняком, так как прямо отсылает к действию, а не к предмету.

Никаких известных исторических личностей с этой фамилией не зафиксировано, но это типичная «трудовая» фамилия, которая ничего не говорит о дворянском происхождении. Предки носителей фамилии Пилюева были, скорее всего, крестьянами или посадскими людьми, получившими прозвище за свой неуживчивый или настойчивый характер.