Фамилия Тилемисов — редкий случай, когда основа, скорее всего, не русская, а тюркская или кавказская, но «одета» в стандартный русский суффикс принадлежности -ов. Чтобы понять корень, стоит отбросить окончание: Тилемис. Это имя или прозвище.

Самая вероятная версия — происхождение от тюркского имени Тилемис (или Дилемис). В ряде тюркских языков (казахском, ногайском, кумыкском) это имя имеет прозрачную внутреннюю форму: «тиле» — просить, желать, а аффикс «-мис» превращает глагол в имя со значением «просимое», «желанное». Так могли назвать долгожданного, вымоленного у Бога ребёнка. Сравните с казахской фамилией Тилемисов (Тілемісов) — она существует и сегодня, что подтверждает эту гипотезу.

Менее убедительна, но возможна версия, связывающая основу с кавказскими языками, например, с аварским словом «тиле» (золото) или чеченским «тилла» (золотой). В этом случае Тилемис могло быть прозвищем мастера-ювелира или просто ласкательным именем. Однако тюркская версия выглядит предпочтительнее: она объясняет и словообразовательную модель, и географию — такие фамилии чаще встречаются в Оренбуржье, Астраханской области, на Северном Кавказе, где веками жили тюркоязычные народы.

Суффикс -ов указывает, что фамилия оформилась в русской среде: предка записывали как «Тилемисов сын» или «Тилемисов человек». То есть сам Тилемис был человеком, вероятно, служилым или крещёным, чьё нерусское имя адаптировали по русской модели. Фамилия не дворянская и не крестьянская в привычном понимании — она принадлежит к пласту фамилий, возникших на стыке культур, когда тюркские имена входили в русский документооборот.