Фамилия Трефильцев образована от имени Трефилий, которое в народной русской традиции превратилось в Трефил. Имя это календарное, греческого происхождения (др.-греч. Τρύφελιος — «нежный», «изнеженный»), но в быту звучало для русского уха необычно, поэтому его быстро «обкатали» до более привычных форм — Трефил, Трефилка. Полное имя Трефилий встречалось в святцах, но в крестьянской и мещанской среде XVIII–XIX веков его давали нечасто, что делает фамилию относительно редкой.

Суффикс -ев указывает на типичную модель русских фамилий: отчество от имени, оканчивающегося на мягкий согласный. Трефильцев буквально значит «внук (или сын) Трефильца». Форма Трефилец — это уменьшительно-ласкательный вариант имени Трефил, с суффиксом -ец, который в русских говорах нередко прибавляли к именам для обозначения молодого человека или сына (ср. Иванец, Петрец). То есть Трефильцев — не прямо от Трефила, а от его производной, что говорит о семейном прозвище, закрепившемся за младшим поколением.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным губерниям России. В переписных книгах Вологодской и Архангельской губерний XIX века встречаются крестьяне с фамилией Трефильев (более ранняя форма), а вариант с -цев характерен для территорий, где активно работал суффикс -ец в отчествах — например, в бывшей Вятской губернии и на Урале. Сословно это почти наверняка крестьянская фамилия: в дворянских родословных книгах Трефильцевы не значатся, а в купеческих списках попадаются единично.

Интересная деталь: фамилия могла писаться через «я» — Трефильцов, если в говоре имя произносили как Трефилец с ударением на последний слог. Однако в большинстве документов закрепилось написание через «е», что соответствует литературной норме. Однокоренных фамилий немного: Трефилов, Трефильев, Трефилкин — все они восходят к тому же имени Трефилий, но с разными суффиксами, что указывает на разные ветви одного родового гнезда.