Фамилия Трефильева — женская форма от Трефильев, а та, в свою очередь, образована от мужского имени Трефилий. Это имя — русская народная переделка греческого имени Трифиллий (Τριφύλλιος), которое в переводе означает «трилистник». В святцах имя встречается, но было редким, поэтому и фамилия на его основе не принадлежит к числу распространённых. В быту имя Трефилий часто сокращали и переиначивали: Трефил, Треша, Трешка — отсюда и фамилии Трефилов, Трефильев, Трешкин.

Словообразовательная модель здесь простая: к основе Трефилий добавили типичный русский суффикс принадлежности -ев (фонетический вариант -ов после мягкого согласного). Окончание -а в женском варианте указывает на то, что носительница — женщина, дочь или жена человека по фамилии Трефильев. Такая форма была особенно характерна для крестьянской и мещанской среды XIX века, где в документах женщин часто записывали именно по отцу или мужу.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным губерниям России. В переписных книгах и метриках XVII–XVIII веков Трефильевы встречаются в Вологодской, Костромской и Вятской губерниях. Судя по этому, предки носителей фамилии были, скорее всего, государственными или монастырскими крестьянами, реже — посадскими людьми. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что подтверждает её «народное» происхождение.

Интересная деталь: в некоторых говорах имя Трефилий произносили с ударением на второй слог — Трефи́лий, что отразилось в варианте фамилии Трефильев (с ударением на «и»). В других диалектах ударение падало на первый слог, давая форму Трефильев с ударным «е». Оба варианта сосуществовали, и современные носители могут не подозревать, что их фамилия когда-то звучала иначе. Эта диалектная разница — одна из тех деталей, которая делает историю фамилии нешаблонной: она показывает, как живой язык менял церковное имя под местное произношение.

Если сравнивать с однокоренными, то Трефильев стоит ближе к полной форме имени, чем, например, Трефилов (от усечённой основы) или Треша (от уменьшительной). Это делает фамилию своеобразным мостиком к забытому крестильному имени, которое в быту почти вытеснили более популярные Фёдор, Иван или Пётр.