Фамилия Тивиляев — один из тех случаев, когда внешне прозрачная форма скрывает неочевидную основу. На первый взгляд, перед нами типичная русская фамилия на -ев, образованная от прозвища или имени, оканчивающегося на мягкий согласный. Однако корень «Тивил-» в русском языке отсутствует, что указывает на иноязычное происхождение.

Скорее всего, в основе лежит тюркское или монгольское личное имя. Например, имя Тивил или Тевель (вариант — Тивель) было распространено у татар и башкир, где оно восходит к древнетюркскому «теве» — верблюд. В переносном смысле такое имя могло даваться крупному, выносливому или упрямому человеку. В пользу этой версии говорит и то, что фамилии с таким корнем встречаются в Поволжье и на Урале — в зоне активных русско-тюркских контактов.

Менее вероятна, но возможна связь с финно-угорскими языками. В коми-пермяцком языке есть слово «тив» — глухарь, а «тивъя» — глухариный. Прозвище Тивиляй могло означать «глухарь» или «человек, похожий на глухаря» (например, глуховатый или любящий лес). Однако суффикс -ляй характерен скорее для тюркских прозвищ, чем для финно-угорских.

Фамилия образована по стандартной восточнославянской модели: к основе Тивиляй (усечённый вариант от Тивиляй) добавили притяжательный суффикс -ев, означающий «сын Тивиляя». В документах XVI–XVII веков такие фамилии часто фиксировались у служилых людей и крестьян южных и восточных окраин России, куда активно переселялись народы из Казанского и Астраханского ханств.

Сейчас фамилия Тивиляев встречается редко. Основной ареал — республики Татарстан и Башкортостан, а также Оренбургская область. Носители фамилии, по косвенным данным, были преимущественно крестьянами и казаками, а позже — сельскими жителями. Известных исторических личностей с этой фамилией в открытых источниках не зафиксировано, что подтверждает её локальный и недворянский характер.