Фамилия Пилюгайцева — женская форма от Пилюгайцев, а та, в свою очередь, образована от прозвища или нецерковного имени Пилюгай. Разбор этой основы не так прост, как кажется на первый взгляд, и даёт сразу несколько возможных, но неравноценных версий.

Самая правдоподобная версия связывает корень с глаголом «пилюкать» или «пилюгать» — в южных и западных русских говорах это значит «пищать», «визжать», «жалобно плакать». Человек с таким прозвищем мог получить его за тонкий, писклявый голос или за привычку постоянно ныть и жаловаться. Суффикс -ай в таких прозвищах типичен для русской народной ономастики (сравните: Ломай, Бодай, Кричай). Он придаёт основе оттенок действия или характерного признака. Таким образом, Пилюгай — это «тот, кто пилюгает», то есть пищит или плаксиво просит.

Вторая версия, менее вероятная, отталкивается от слова «пилюля». В этом случае прозвище могли дать аптекарю, лекарю или человеку, который часто принимал лекарства. Однако фонетически переход от «пилюля» к «пилюгай» неочевиден и потребовал бы дополнительных изменений, поэтому эта гипотеза слабее.

Третья, совсем редкая, версия выводит основу из тюркских языков, где «пилю» может означать «слон» (ср. турецкое fil). Но для русской фамилии такая этимология экзотична и не подкреплена бытовым контекстом — прозвища «Слон» в России были, но форма «Пилюгай» для них нехарактерна.

Фамилия образована по продуктивной модели: основа Пилюгай + патронимический суффикс -ев (после мягкого согласного «й»). Окончание -а указывает на принадлежность женщине. Географически фамилия встречается в центральных и южных областях России, особенно в Воронежской и Ростовской областях, что хорошо согласуется с диалектной зоной бытования глагола «пилюгать». Сословной принадлежности у фамилии нет — её могли носить и крестьяне, и мещане, и казаки. Известных носителей в открытых источниках не зафиксировано, что типично для редкой фамилии, не попавшей в энциклопедии.