Фамилия Тилюкин — довольно редкая, и её происхождение проще всего объяснить через прозвище или имя, лёгшее в основу. В центре внимания здесь корень «Тилюк-». Скорее всего, это форма личного имени Тихон (от греческого «удачливый»), но не прямая, а через уменьшительно-ласкательные варианты. В русских говорах Тихона могли называть Тилей, Тилюхой, а Тилюк — естественное продолжение этого ряда. Суффикс «-ин» указывает на принадлежность: «чей?» — Тилюкин, то есть сын или потомок Тилюка.

Есть и другая версия, менее распространённая, но тоже возможная. В некоторых диалектах «тилюкать» означало «тихо говорить» или «бормотать». Тогда Тилюком могли прозвать неразговорчивого, молчаливого человека. Однако эта гипотеза слабее: глагол редкий, а модель образования прозвищ от глаголов через суффикс «-юк» для русских фамилий нетипична. Чаще прозвища на «-юк» встречаются в украинской и белорусской традиции (как Шевчук, Ковальчук), но Тилюкин — фамилия с великорусским суффиксом «-ин», что указывает на северные или центральные области России.

Географически фамилия встречается в основном в Псковской, Новгородской и Тверской областях — именно там были распространены формы имён вроде Тиля, Тилюха. В этих краях Тихон — имя частое, а местные говоры любили сокращать и переделывать имена на свой лад. Так что предки носителей фамилии Тилюкин с большой вероятностью жили на северо-западе России и были крестьянами или посадскими людьми, а фамилию получили по деду или отцу, которого в быту звали Тилюком.

Словообразовательная модель проста: основа «Тилюк» плюс притяжательный суффикс «-ин». В отличие от фамилий на «-ов», которые чаще образовывались от слов с твёрдой основой, «-ин» характерен для основ на мягкий согласный или на -а/-я. Тилюк как раз подходит под это правило. Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Тишин, Тиханов — Тилюкин стоит особняком именно из-за редкой уменьшительной формы, которая не сразу узнаётся как производная от Тихона.