Фамилия Тилимова — женская форма, в основе которой лежит мужское родовое имя Тилимов. Словообразовательная модель здесь простая и прозрачная: суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей сын?» — Тилимов), плюс окончание -а для женского рода. Такая конструкция характерна для подавляющего большинства русских фамилий, сформировавшихся в XVI–XVII веках как отчества от прозвищ или мирских имён.

Корень фамилии — «Тилим» — вызывает больше вопросов, чем готовая форма. Это не календарное имя, не топоним широкой известности и не очевидное ремесло. Скорее всего, перед нами прозвище, и его происхождение стоит искать в диалектной лексике. В русских говорах, особенно на северо-западе и в сибирских областях, слово «тилим» или «телим» могло означать нечто вроде «неповоротливый человек», «увалень» или, наоборот, «баловник, проказник» — в зависимости от местного произношения и контекста. В некоторых регионах «тилимать» значило «шататься без дела», «слоняться». Соответственно, прозвище Тилим могли дать человеку с соответствующей манерой поведения или внешностью — медлительному, либо, напротив, беспечному гуляке.

Вторая, менее вероятная, но не исключённая версия — связь с тюркскими языками. В ряде тюркских наречий «тилим» означает «мой язык» (от «тил» — язык). В таком случае прозвище могло закрепиться за толмачом, переводчиком или просто болтливым человеком. Однако для фамилии, зафиксированной в русской среде, эта гипотеза слабее: прямое заимствование целой фразы в качестве прозвища — случай редкий, хотя и возможный на южных окраинах, где шёл активный контакт с тюркоязычным населением.

География фамилии Тилимова сегодня не широка. Встречается она преимущественно в центральных областях России и в Поволжье, единичные носители есть в Сибири. Это говорит о том, что фамилия не принадлежала к массовым крестьянским или дворянским родам, а сформировалась локально, возможно, в одной-двух волостях, откуда и разошлась с переселенцами. Сословное происхождение, скорее всего, крестьянское или мещанское: фамилии на -ов без дворянских приставок (вроде «де» или «фон») и без книжных суффиксов (-ский) в массе своей указывают на непривилегированные слои.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Телимов, Тилимбаев, Тилимцев — показывает, что основа «тилим» не уникальна, но редка. В отличие от распространённых Ивановых или Кузнецовых, Тилимовы — носители более узкого, «камерного» прозвища, и это делает фамилию ценной для локальной истории: она может рассказать о быте и языке конкретной местности больше, чем любая общая энциклопедия.