Фамилия Томилео — редкий случай, когда русская по происхождению основа получила нерусское оформление. Скорее всего, перед нами результат адаптации фамилии Томилов или Томилин под иноязычное, возможно итальянское или румынское, окончание. В русской ономастике суффикс -ео не встречается, и если бы фамилия была исконной, она звучала бы как Томилов (с патронимическим суффиксом -ов) или Томилин (с -ин от имени Томила). Замена окончания на -ео могла произойти при эмиграции, когда носитель менял фамилию для благозвучия, или при записи в документах в многонациональных регионах Российской империи, например в Бессарабии.

Основа фамилии восходит к древнерусскому нецерковному имени Томило. Это имя было широко распространено в XV–XVII веках, особенно в крестьянской и посадской среде. Оно образовано от глагола «томить» — то есть «мучить, утомлять». Имя давали не в обиду, а как оберег: считалось, что человек с «плохим» именем отпугнет злых духов. Томило могло быть и прозвищем для беспокойного, надоедливого или, наоборот, очень терпеливого человека. В документах встречается, например, крестьянин Томило Иванов (1495 год) или холоп Томило Копылов (XVI век).

По модели образования фамилия Томилео — это отчество от имени Томило. Если бы не измененное окончание, она относилась бы к типичным русским фамилиям на -ов. Сейчас же её написание уникально: в России таких фамилий почти нет, и встретить её можно скорее у потомков эмигрантов первой волны или в семьях с румынскими/молдавскими корнями, где -ео — стандартное окончание фамилий (как у молдавского поэта Емилиана Букова, на самом деле Буков).

Версия о том, что фамилия могла быть итальянской (от имени Tomileo), маловероятна: в итальянских источниках такое имя не зафиксировано. Это именно русская фамилия, «одетая» в чужой суффикс. Носитель фамилии Томилео, скорее всего, потомок человека по имени Томило, который жил в центральной России, а затем его род оказался в зоне культурного пограничья, где фамилию записали на местный лад.