Фамилия Пилюгин образована от прозвища Пилюга, и корни её уходят в XVI век. Прозвище было достаточно древним: С. Б. Веселовский упоминает крестьянина Пилюгу из Новгорода (1545 год) и арзамасского помещика Антона Дробышева Пилюгина (1576 год). Уже тогда прозвище закрепилось за человеком как основное именование, а со временем легло в основу фамилии.

Смысл прозвища неочевиден, и здесь есть две основные версии. Первая отсылает к украинскому слову «пилюга» — «густая пыль». В этом случае именование могло относиться к роду занятий: так называли человека, работавшего на пыльном производстве или в пыльном помещении. Впрочем, не исключено, что прозвище носило бытовой оттенок и указывало на нечистоплотность.

Вторая версия связывает прозвище с глаголом «пиляти». Здесь возможны два толкования. Если глагол понимать как «пилить», то Пилюгой могли назвать плотника или строителя. Если же учитывать переносное значение «докучать, назойливо приставать», то прозвище отражало особенность характера — настойчивость, переходящую в назойливость. Встречается и шутливое употребление: Пилюгой называли бездарного музыканта, который буквально «пилил» смычком по струнам.

Сам суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: Пилюгин — это «сын Пилюги». Такая модель типична для русских фамилий, образованных от прозвищ, оканчивающихся на -а.

Документы XIX–XX веков показывают, что фамилия распространилась широко. В записях Хабаровского края упоминается Василий Борисович Пилюгин, родившийся в 1884 году в деревне Овсянниково Курской области. Книга памяти Белгородской области хранит сведения о Василии Гариловиче Пилюгине (1887 год, Челябинская область) и Василии Елисеевиче Пилюгине (1901 год, село Санково Грайворонского района Курской области). Эти записи подтверждают, что фамилия бытовала и в центральных губерниях, и на Урале.

Среди известных носителей — Николай Алексеевич Пилюгин, советский инженер-конструктор, создававший системы автономного управления ракетными и ракетно-космическими комплексами. Его работа в области космонавтики сделала фамилию узнаваемой далеко за пределами тех мест, где когда-то жили её первые носители.