Фамилия Пилюнский — редкий случай, когда географическая привязка почти наверняка перевешивает прозвищную версию. Судя по суффиксу -ск-, это типичная «географическая» фамилия, которую получали выходцы из конкретного места. В отличие от фамилий на -ов/-ев или -ин, которые часто образовывались от прозвищ или отчества, фамилии на -ский в России долгое время оставались привилегией шляхты и духовенства, а позже закрепились за переселенцами, называвшими себя по имени покинутого села.

В основе фамилии лежит топоним Пилюны или Пилюн. Такие названия встречаются в западных регионах бывшей Речи Посполитой — на территории современной Беларуси и Польши. Например, деревня Пилюны (Piluny) известна в Гродненской области. Название, скорее всего, восходит к литовскому или балтскому корню «pilis» — «замок, крепость», либо к слову «pylimas» — «насыпь, вал». В славянской же среде это могло переосмысливаться как производное от «пилить» или «пила», но для фамилии на -ский такая прозвищная основа маловероятна: прозвища Пилка или Пила давали бы фамилии Пилов, Пилкин, а не Пилюнский.

Фамилия образована по стандартной модели: корень Пилюн- + суффикс -ск- + окончание -ий. Формант -ск- в данном случае указывает на принадлежность к месту: «тот, кто из Пилюн». Если предки носителя фамилии были крестьянами или мещанами, фамилия могла появиться в XIX веке, когда массово давали фамилии бывшим государственным крестьянам по названию их деревни. Если же фамилия более старая, её носители могли быть мелкой шляхтой, владевшей хутором Пилюны.

Встречаемость фамилии сегодня крайне низкая. Она фиксируется в основном в Беларуси и на западе России, а также в среде потомков эмигрантов первой волны. В словарях русских фамилий (Унбегаун, Никонов) она не упоминается, что подтверждает её локальный, нестоличный характер. Слово «пилюн» как самостоятельное нарицательное в русском языке отсутствует, поэтому связывать фамилию с каким-либо ремеслом (например, пильщиком) можно только в том случае, если допустить, что суффикс -юн- (как в «плясун», «говорун») превратил глагол «пилить» в прозвище Пилюн. Но это менее вероятно: для прозвищного суффикса -юн- фамилия скорее получила бы форму Пилюнов, а не Пилюнский. Таким образом, наиболее надёжная версия — географическая, от названия населённого пункта в западнорусских или литовских землях.