Фамилия Тилей — редкая и неочевидная для русского уха. Её не спутаешь с Тилевым или Тилеем: окончание -ей указывает на иной механизм образования, чем привычные -ов или -ин. Скорее всего, перед нами фамилия, застывшая в форме родительного или творительного падежа, что характерно для украинской, белорусской или южнорусской традиции.

Основа — Тиль, Тиля. В славянских языках это может быть сокращение от крестильного имени Тимофей или Тит (через уменьшительную форму Тиля, Тилька). Такие усечения — обычное дело: Тимофей превращался в Тишу, Тюню и Тиля. Но есть и другая версия: в южных говорах «тиля» означало «тишина», «спокойствие», а в некоторых диалектах — «лентяй» или «медлительный человек». Прозвище Тиля мог получить человек неторопливый, флегматичный.

Суффикс -ей (вместо -ев) — ключевая деталь. В украинской ономастике фамилии на -ей (Тилей, Куцей, Мизей) часто фиксируют патроним в родительном падеже: «чей? — Тилей», то есть «сын Тили». Такая модель встречается и у поляков (Tylej), и у белорусов. Если бы фамилия была русской, её бы записали как Тилев или Тилин. Форма Тилей — маркер западнорусского или малороссийского происхождения.

Географически фамилия тяготеет к Черниговской, Сумской областям Украины и к югу Беларуси. В российских переписях она почти не встречается, что подтверждает её локальный характер. Носители фамилии — потомки крестьян или мещан, которые получили прозвище от имени или черты характера.

Сравните с однокоренными: Тилюк (украинский патроним с суффиксом -ук), Тиленко (с -енко), Тилевич (белорусский вариант). Тилей стоит особняком — он короче и архаичнее, без дополнительных суффиксов, что может указывать на раннюю фиксацию фамилии до того, как стандартные модели окончательно вытеснили падежные формы.