Фамилия Полилина — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. На первый взгляд она напоминает женскую форму от фамилии Полилин, но в русской традиции фамилии на -ин образуются от основ на -а/-я, так что Полилина могла возникнуть и как самостоятельная фамилия, и как вариант написания фамилии Полилин в женском роде (дочь или жена Полилина). Однако в русском быту фамилии на -ин фиксировались и для мужчин, если основа оканчивалась на -а: например, сын Поли́ли — Полилин. Но здесь мы имеем дело с двойным -ин-, что встречается реже и часто указывает на иноязычный или искусственный корень.

Самый вероятный путь — от прозвища или мирского имени Поли́ля. В русских говорах «поли́ля» могло означать человека, который «поливает» — возможно, болтливого, льстивого или, наоборот, занятого поливкой огорода. Но есть и другая версия: основа восходит к греческому имени Поли́евкт (Πολύευκτος) или просто к корню «поли-» (много). В таком случае фамилия могла возникнуть в среде духовенства: семинаристам нередко давали фамилии по греческим корням, и Полилин могло быть сокращением от Полиевктов или Поликарпов. Полилина тогда — производная форма, возможно, от фамилии Полилин с добавлением женского суффикса, но закрепившаяся как основная.

Географически фамилия тяготеет к центральным и южным регионам России, но в дореволюционных метриках встречается редко. В словарях русских фамилий (например, у Б. Унбегауна) прямого упоминания нет, что подтверждает её нетипичность. Скорее всего, предки носителей фамилии Полилина были либо крестьянами с прозвищем, либо выходцами из духовного сословия, где фамилии создавали искусственно. Однозначного ответа нет, но версия с основой «полиля» (от глагола «полить») выглядит правдоподобнее — она объясняет и суффикс, и бытовой контекст.