Фамилия Шильмуханов — редкий пример тюркско-арабского слияния в русской фамильной модели. Её основа состоит из двух частей: «шиль» и «мухан». Первая часть, «шиль», восходит к тюркскому слову «шиль» (чиль, шил) — «сорок», но в переносном смысле на Кавказе и в Поволжье так называли человека, перешагнувшего сорокалетний рубеж, зрелого, уважаемого. Вторая часть — «мухан» — это диалектный вариант арабского имени Мухаммад (прославленный, хвалимый), распространённый у башкир, татар и народов Дагестана. Таким образом, «Шильмухан» — составное личное имя, которое можно перевести как «сорокалетний Мухаммад» или «зрелый Мухаммад», то есть прозвище, данное человеку по возрасту и имени.

Русский суффикс -ов указывает на стандартную модель образования фамилий в среде крещёных или обрусевших тюркских народов: «чей?» — Шильмуханов, то есть потомок Шильмухана. Фамилия не могла возникнуть в среде чисто русского крестьянства, где не было таких имён, и почти наверняка принадлежит к пласту фамилий, появившихся у башкир, татар или кавказских горцев после вхождения их земель в состав Российской империи. В отличие от многих фамилий на -ов, которые часто происходят от ремесла или внешности, здесь мы видим не прозвище, а именно антропоним — личное имя, которое дали при рождении.

Географически фамилия Шильмуханов встречается в основном на Южном Урале (Башкортостан, Челябинская область) и в Западной Сибири, куда в XIX веке переселялись башкирские и татарские крестьяне. Встречается она и в Дагестане, где «мухан» — распространённая форма имени Мухаммад у кумыков и аварцев. Поскольку фамилия не попала в массовые реестры дворянства или купечества, её носители, скорее всего, были из сословия государственных или ясачных крестьян, плативших подать, а не из знати.

В написании фамилии возможны варианты: Шильмуханов и Шильмуханов (с ударением на второй или третий слог). Встречается также форма Шильмуханов без мягкого знака, что характерно для более поздних записей в паспортах. Интересно, что однокоренные фамилии — Шильмуратов, Шильмагомедов — строятся по той же схеме: «шиль» + имя, что подтверждает устойчивость этой модели у тюркских народов.