Фамилия Тилимесов — редкая и сложная для однозначной этимологии. Её основа чаще всего связывают с тюркскими корнями, где «тилимес» может быть вариантом прозвища, означающего «не знающий языка» или «немой» (от тюркского «тил» — язык, и отрицательного аффикса «-мес»). В переносном смысле так могли назвать молчаливого, неразговорчивого человека либо того, кто не знал местного наречия, например, пришлого из другого племени.

Словообразовательная модель фамилии указывает на русскую патронимическую форму: суффикс -ов присоединился к основе Тилимес, превратив прозвище в фамилию по отцу. Это типично для фамилий, оформленных уже после вхождения тюркских именований в русскую среду. Географически фамилия встречается в регионах с исторически смешанным русско-тюркским населением — например, в Оренбуржье, Башкортостане, Татарстане, на Северном Кавказе.

Есть и менее вероятная версия, связывающая фамилию с арабским именем Талим (ученик, знающий) с искажением через тюркское посредство. Однако она слабее: форма «Тилимес» плохо ложится на арабскую фонетику, а отрицательный суффикс -мес — характерная примета именно тюркских прозвищ.

Однофамильцы Тилимесовы, если они встречаются, указывают на тот же корень, но с другим суффиксом — более старым, свойственным южнорусским и украинским землям. В целом фамилия редкая, и её носители, вероятно, потомки тех, кто получил прозвище за немногословие или языковой барьер.