Фамилия Тильченко образована по распространённой в украинской и южнорусской ономастике модели с суффиксом -енко. Этот суффикс, означающий «сын» или «потомок», указывает на то, что первый носитель фамилии был сыном человека по имени или прозвищу Тилько (Тилька). Основа фамилии — Тильк-, которая могла возникнуть от уменьшительной формы имени или от прозвища.

Самая вероятная версия — происхождение от крестильного имени Анатолий (в народных формах — Толька, Только, Тилько). В южных говорах переход «о» в «и» в безударном положении — явление нередкое. Соответственно, Тилько — это украинский или диалектный вариант имени Толя. Тогда Тильченко — «потомок Тильки», то есть сын человека, которого в быту звали этим уменьшительным именем.

Менее распространённая, но тоже возможная версия — отчество от прозвища Тилько, связанного с глаголом «тиликать» (плохо, негромко играть на музыкальном инструменте или звенеть). В этом случае прозвище мог получить музыкант-самоучка или человек, который постоянно бренчал на гитаре, балалайке или гуслях. Однако эта версия слабее, так как прозвища от глаголов звукоподражания обычно давались по конкретному действию, а не по отвлечённому признаку.

Географически фамилия Тильченко тяготеет к юго-восточным областям Украины (Сумская, Полтавская, Харьковская) и к приграничным регионам России — Курской, Белгородской, Воронежской областям. Это зона расселения украинских крестьян и казаков, где фамилии на -енко были основным типом родовых имён. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые в этих местах тоже встречаются, Тильченко — более поздняя по происхождению, она закрепилась в XVI–XVII веках, когда формировалось казацкое сословие.

Сословно предки Тильченко, скорее всего, были либо государственными крестьянами, либо казаками. Дворянских родов с такой фамилией в Российской империи не зафиксировано. Фамилия не редкая, но и не массовая: по частотности она уступает таким же образованиям от распространённых имён (Иван → Иванченко, Григорий → Грищенко). Встречаются варианты написания — Тильченко и реже Тыльченко, что отражает особенности местного произношения.