Фамилия Питилимов — редкая, и её разбор начинается не с очевидного корня, а с суффиксальной модели. В ней выделяется суффикс -им- , который встречается в русских фамилиях нечасто. Обычно он указывает на краткую форму притяжательного прилагательного от имени или прозвища на -има: Питилим — сын Питилима (ср. с фамилиями Галимов, Сатимов, где основа также оканчивается на -им). То есть первым носителем фамилии был человек по прозвищу или имени Питилим.

Самая правдоподобная версия происхождения этого прозвища — от тюркского или арабского имени, которое попало в русский язык через татарскую или башкирскую среду. Основа Питил- может восходить к имени Фатих (араб. «победитель», «открывающий») или Фатых, которое в тюркской огласовке давало варианты Патих, Питих. Суффикс -им в этом случае мог быть русским переосмыслением тюркского окончания -им (как в именах Алим, Карим), либо же форма Питилим возникла как диалектное стяжение от полного имени Питил-имам (где «имам» — духовный сан). В любом случае, носитель фамилии, скорее всего, происходил из среды крещёных татар или башкир, живших в смешанных районах Поволжья или Приуралья.

Менее вероятная, но не исключённая версия связывает фамилию с русским диалектным словом. В некоторых говорах (особенно на севере и в Сибири) «питиль» или «питилька» означала мелкую птицу, птенца. Прозвище Питилим могло дать маленькому, суетливому или худощавому человеку. Однако эта версия слабее: во-первых, слово «питиль» редкое и не зафиксировано в центральных говорах, во-вторых, модель образования прозвища с суффиксом -им от названия птицы нехарактерна для русской антропонимии.

Географически фамилия Питилимов тяготеет к юго-востоку России. Основные очаги — Оренбургская область, Башкортостан, Татарстан. Это подтверждает тюркскую версию: именно в этих краях часто встречаются фамилии на -имов (Алимов, Салимов, Галимов), образованные от арабских имён, адаптированных тюрками. Таким образом, предки Питилимова с высокой вероятностью были крещёными татарами или башкирами, носившими имя Питилим (вариант Фатих), которое затем закрепилось как фамилия.

О сословной принадлежности носителей фамилии судить сложно из-за её редкости. Среди Питилимовых встречались как крестьяне, так и казаки (в Оренбургском казачьем войске). Казачья среда, активно смешивавшая русское и тюркское население, — ещё один возможный канал появления этой фамилии.