Фамилия Тилилюева — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, скорее всего, было связано с речевой манерой или музыкальным слухом человека. Скорее всего, её образовали от прозвища Тилилюй, которое давали тому, кто постоянно напевал, мурлыкал или насвистывал мотив «тили-тили», «тилилюй» — звукоподражательную мелодию без слов. В русской традиции такие прозвища не были оскорбительными, а скорее фиксировали заметную черту: весёлый нрав, привычку напевать под нос или даже профессиональную принадлежность к музыкантам-скоморохам.

Суффикс -ев указывает на патронимическую модель: Тилилюев — сын Тилилюя. Форма Тилилюева — женский вариант фамилии, которая закрепилась за женщиной или вдовой. Интересно, что фамилия не встречается в классических ономастических словарях (Унбегаун, Никонов), что говорит о её крайне узком ареале и, возможно, позднем закреплении — в XIX–XX веках, когда фамилии давали по прозвищам в крестьянской среде.

Можно допустить и другую версию: прозвище могло возникнуть от глагола «тилилюкать» — в некоторых говорах так называли игру на дудке, свирели или просто пустую болтовню. Тогда предок был либо пастухом-дударём, либо человеком, который любил «тилилюкать языком» — то есть болтать без умолку. Оба варианта укладываются в логику русских прозвищ, но первый (музыкальный) кажется более точным, так как «тилилюй» — устойчивый фольклорный звуковой образ.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и поволжским областям, где диалектные «тилилюкать» и «тилилюй» встречаются чаще. Встретить её можно в единичных записях, что делает носительниц фамилии Тилилюева обладательницами редкого, но очень живого «поющего» родового имени.