Фамилия Цвилёв — редкий образец русского прозвищного имени, которое закрепилось за потомками одного человека. В основе лежит прозвище Цвиль (встречался и фонетический вариант Цвыль), а сама фамилия образована по стандартной модели отчества с суффиксом -ев: Цвиль → Цвилев → Цвилёв. Ударение на последнем слоге — позднее, книжное; в живой речи старшего поколения чаще звучит Цви́лев.

Что означало прозвище — вопрос открытый, и тут есть две основные версии. Первая отсылает к диалектному нарицательному «цвиль»: так в разных говорах называли семя хмеля, а в иных местах — плесень. Прозвище могли дать либо хмелеводу, либо человеку с какой-то внешней особенностью, напоминавшей налёт или оспины. Вторая версия убедительнее: диалектный глагол «цвилить(ся)» означал «плакать (о ребенке)». Прозвище Цвиль в таком случае получал капризный, плаксивый малыш, и оно закреплялось за ним на всю жизнь, а потом переходило к детям уже как родовое имя.

Прозвище и фамилия документированы в XVI–XVII веках. Известен Цвиль, сотник казачий, 1697 года; отдельно упоминается Яким Цвилев, можайский городовой приказчик. Эти записи показывают, что носители фамилии встречались и в служилой среде, и среди казачества, то есть социального «дна» за фамилией не стоит — это обычные служилые люди своего времени. Точное место и время возникновения фамилии установить сложно: прозвищные фамилии возникали параллельно в разных регионах, и Цвилёвы могли появиться независимо в нескольких местах.

Сама фамилия стоит в ряду однокоренных, но редких: Цвилёв, Цвилин, Цвиль. Она не получила массового распространения, поэтому сегодня её носители, скорее всего, происходят из немногих родов, а не из одного общего предка. В написании встречается вариант через «ы» — Цвылёв, что отражает старое диалектное произношение; в современных документах закрепилась форма с «и».