Фамилия Тимилов — одна из тех, чей корень уходит в дохристианские, древнерусские имена. В её основе лежит имя Тимил, которое было широко распространено на Руси до принятия христианства. Это имя, в свою очередь, является производной формой от более древнего имени Тихомир — сложения основ «тихо» (тишина, покой) и «мир». Усечение и упрощение имён в быту — обычное дело для древнерусской ономастики: Тихомир сокращался до Тимил, Тихон, Тимоня. Суффикс -ил в таких именах (как в Радил, Нежил) указывал на принадлежность или ласкательное отношение.

Фамилия образована по стандартной патронимической модели: имя Тимил плюс притяжательный суффикс -ов. Тимилов — буквально «сын Тимила». Это типичная русская фамилия, закрепившаяся в XV–XVII веках, когда отчество на -ов стало передаваться по наследству и превращаться в фамилию. В отличие от более редких фамилий на -их/-ых или -ский, Тимилов относится к самой массовой группе, охватывающей большинство русского населения.

Географически фамилия не привязана к какой-то одной области, но встречается в старых писцовых книгах Новгородской и Псковской земель, где были сильны традиции древнерусских имён. Встречается она и в документах XVII века по Московскому уезду, что говорит о её бытовании среди служилых людей и крестьян центральной России.

Редкость фамилии (в современных справочниках она не входит даже в первую тысячу по частотности) объясняется тем, что имя Тимил вышло из обихода уже к XVIII веку, вытесненное церковными календарными именами. Так что носители фамилии Тимилов — прямые наследники той древней традиции, когда ребёнка называли не по святцам, а по внутреннему качеству, которое родители желали ему видеть: спокойствие и миролюбие.