Фамилия Тамиленко звучит на украинский лад, и это первое, что бросается в глаза. Суффикс -енко — один из самых распространенных в Украине, он указывает на происхождение по отцу: буквально «сын Тамила» или «потомок Тамилы». Такая модель фамилий активно формировалась в XVI–XVII веках на территории современной Центральной и Восточной Украины, особенно среди казачества и крестьянства.

Основа фамилии — личное имя Тамило. Это неканоническая, народная форма имени, которая могла возникнуть от крестильного имени Фома (в просторечии — Хома) через звуковые изменения, либо от редкого славянского имени Тамила (женского или мужского). В древнерусских источниках встречается имя Тамило как уменьшительное от таких имен, как Антип или Евтихий. Корень «там-» мог также восходить к глаголу «тамить» — в некоторых говорах это значило «приручать, укрощать, делать смирным». Тогда Тамилой могли прозвать спокойного, покладистого человека.

Географически фамилия Тамиленко тяготеет к юго-востоку Украины и прилегающим областям России. В документах XVIII-XIX веков носители фамилии встречаются в Харьковской, Полтавской и Екатеринославской губерниях. Это были в основном крестьяне и мещане, реже — казаки. Интересно, что фамилия не получила широкого распространения, осталась локальной, что типично для фамилий, образованных от редкого имени или прозвища.

В русской среде фамилия могла трансформироваться в Тамилин, Тамилов, но суффикс -енко прочно закрепил украинское происхождение рода. Если искать однокоренные фамилии, то Тамила, Тамильцев, Тамильчук — все они восходят к тому же источнику. Споров о происхождении основы немного: версия с именем Фома проигрывает, так как не объясняет ударения на второй слог (Тами́ло, а не Та́мило). Правдоподобнее всего считать, что в основе лежит прозвище от глагола «тамить» — предок был человеком тихим, уживчивым.