Фамилия Тилюкова — женская форма, а её основа — мужская фамилия Тилюков. В ней сразу бросается в глаза редкий суффикс -юк-, который в русских фамилиях встречается нечасто. Этот суффикс характерен для украинской и белорусской ономастики: он образует фамилии от личных имён, прозвищ или названий профессий, указывая на принадлежность или происхождение (как Тимофеюк, Корнюк). В случае с Тилюковым к основе на -юк добавился стандартный русский суффикс -ов, что говорит о том, что фамилия бытовала на территории, где смешивались русская и украинская традиции (например, на юге России, в Курской или Воронежской губерниях, или в Слобожанщине).

Сама основа — Тилюк — скорее всего, восходит к уменьшительной форме имени Тит или Тихон. В народной речи имя Тит могло звучать как Титюк, а Тихон — как Тихонюк, но через чередование звуков и редукцию гласных могло дать вариант Тилюк. Другая версия, менее вероятная, но допустимая: прозвище Тилюк от диалектного глагола «тилить» — в некоторых говорах так называли медлительного, вялого человека или, наоборот, того, кто «тиликает» (играет на простом музыкальном инструменте). Однако первая версия, с именем, выглядит убедительнее, потому что фамилии на -юк в основном образовывались именно от крестильных имён, а не от прозвищ.

В списках однокоренных фамилий можно встретить Тилюкиных, Тилюковских, а также более редкую Тилюк (без суффикса -ов). Появление именно формы Тилюков, а не Тилюк, указывает на то, что предок носителя, скорее всего, был не первым поколением носителей прозвища, а его потомком, которого записали как «сына Тилюка». Таким образом, фамилия Тилюкова говорит о предке, которого в быту звали Тилюк — вероятно, ласково или уменьшительно от Тита или Тихона, и жил он в регионе, где украинская речь переплеталась с русской.