Фамилия Тильков образована от прозвища или нецерковного имени Тилько, а оно, в свою очередь, — от крестильного имени Тимофей. В народной речи имя Тимофей сокращали до Тимоха, Тимоша, а уменьшительная форма Тилько — результат дальнейшего упрощения: «мо» выпало, осталось «Тиль». Это характерный пример восточнославянской адаптации греческих имен: через ряд стяжений и перестановок звуков исходное имя могло измениться до неузнаваемости.

Модель образования фамилии — через суффикс -ов, который в русском языке указывает на принадлежность: Тильков буквально значит «сын Тилька» или «из семьи Тилька». Суффикс -к- в основе (Тилько) — не уменьшительно-ласкательный, а скорее разговорный, свойственный обиходной речи. Такие формы встречались в северных и центральных русских говорах, где имя Тимофей могли произносить как Тилька или Тилькей.

Географически фамилия Тильков тяготеет к северо-востоку европейской России — Вологодской, Кировской, Архангельской областям. В этих краях имя Тимофей в местных говорах действительно давало формы с «ль»: Тилька, Тилько. Встречается фамилия и в Поволжье, но реже.

Есть и другая, менее вероятная версия: от прозвища Тилька, связанного с диалектным глаголом «тилькать» — стучать, звенеть, или с названием птицы (тилька — вид утки). Однако большинство ономастов сходится на том, что основа — имя Тимофей, поскольку прозвищные фамилии от названий птиц обычно оформляются иначе (Тилькин, а не Тильков).

Сословная принадлежность носителей фамилии не закреплена: Тильковы могли быть и крестьянами, и мещанами, и священниками. В документах XVIII–XIX веков эта фамилия фиксируется преимущественно у государственных крестьян северных губерний.