Фамилия Тилемисова — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не прозвище, а топоним, причём нерусского происхождения. Скорее всего, это женская форма от Тилемисов, а образована фамилия от названия села или реки Тилемис, Тилемиса или похожего географического объекта. Такие фамилии на -ов/-ев обычно давали крестьянам, переселившимся из одного места в другое: «Тилемисов» — буквально «выходец из Тилемиса».

Главная загадка — где находился этот Тилемис. Тюркская основа (тюркские языки) почти очевидна: в них есть корни «тиле» (просьба, мольба) и «мис» (медь). Получается либо «медная просьба» (что маловероятно для названия села), либо искажённое название местности вроде «Тилемис» — вариант османского или казахского топонима. Встречаются упоминания урочищ с похожими названиями в степных районах Казахстана и Поволжья, где в XIX веке жили казаки и крестьяне-переселенцы.

Суффикс -ов(-а) указывает на принадлежность: «чей?» — Тилемисов, то есть «сын человека из Тилемиса». В русской ономастике такая модель — одна из самых массовых, но с нерусской основой она встречается реже. Если бы фамилия была от крестильного имени (Тимофей, Филимон), звучание было бы другим — Тимофеев, Филимонов. Здесь же явно некалендарное, скорее прозвищное или топонимическое происхождение.

География фамилии сегодня невелика: единичные носители встречаются в Оренбургской области, Башкортостане и на юге Урала — как раз в зоне, где смешивались русские, башкирские и казахские топонимы. Возможно, предки Тилемисовых были крестьянами или казаками, получившими фамилию по месту прежнего жительства при переписи или переселении. Точных данных о сословной принадлежности нет, но массовые фамилии на -ов редко указывают на дворянство — скорее на крестьян или мещан.

Другие версии (например, от тюркского личного имени Тилемис — «просящий») менее убедительны: личные имена с таким корнем в документах не зафиксированы, а топонимическое объяснение опирается на реальные названия мест. Так что фамилия Тилемисова — это, вероятно, метка географического корня, которая закрепилась за семьёй выходцев из малоизвестного, но существовавшего поселения.