Фамилия Тилькин образована по стандартной русской модели с суффиксом -ин, который указывает на принадлежность: «чей?» — Тилькин, то есть сын или потомок человека по имени или прозвищу Тилька. Основа здесь — краткая форма мужского имени или прозвища Тиля, Тилька. Вопрос в том, откуда взялось это исходное слово.

Самая вероятная версия связывает Тильку с производными от имени Анатолий. В бытовой речи XIX века имя Анатолий сокращали до То́ля, но в диалектах, особенно на юге и западе России, мягкое «т» могло переходить в «ть» — отсюда формы вроде Тиля, Тилька. Такая модель образования фамилий от уменьшительных форм канонических имён — обычное дело (сравните: Тимофей — Тимошка — Тимошкин, Анатолий — Тилька — Тилькин). Суффикс -к- в прозвище Тилька носит ласкательный или бытовой оттенок.

Реже, но возможно происхождение от прозвища, связанного с диалектным словом «тилька». В некоторых говорах так называли небольшой предмет, «тюльку» или мелкую рыбёшку (ср. украинское «тюлька»). В этом случае прозвище мог получить невысокий или худощавый человек. Однако именная версия выглядит убедительнее, так как фамилии от церковных имён образуют самый массовый пласт русских фамилий.

Географически фамилия Тилькин встречается нечасто, но имеет заметные очаги в центральных областях России и в Поволжье. Встречается также вариант Тильков — с суффиксом -ов, который мог возникнуть в среде, где фамилии оформляли по «мужскому» образцу (например, у однодворцев). Сословно носители фамилии, скорее всего, относились к крестьянам или мещанам: сложная именная основа с уменьшительным суффиксом характерна именно для простонародной среды, где фамилии закреплялись позже, в XVIII–XIX веках.