Фамилия Вайлиов — редкий случай, когда написание почти полностью скрывает происхождение. На слух она воспринимается как русская фамилия на -ов, но корень «вайл» не встречается ни в древнерусских именах, ни в распространенных прозвищах. Самое правдоподобное объяснение — это русифицированная форма фамилии, принесенной в Россию переселенцами, скорее всего, немцами или евреями из Восточной Европы.

Если отбросить русское окончание -ов, основа «Вайл» восходит к немецкому Wei(h)l (с долгим «ай») — от названия населенного пункта Weiler (хутор, выселок) или от личного имени Wilhelm в его краткой форме Weil. В немецкой ономастике фамилия Weil (Вайль) широко распространена, и её носители в XVIII–XIX веках массово переселялись в Российскую империю по приглашению Екатерины II. На новом месте, особенно в Поволжье и Причерноморье, немецкие фамилии часто адаптировали к русской модели: добавляли суффикс -ов, чтобы склонять по падежам. Так Weil становился Вайловым, а его вариант Weyl — Вайлиовым.

Вторая версия, менее вероятная, но возможная для южных регионов, — связь с тюркским корнем «вай» (горе, беда) или «бай» (богач), но переход «б» в «в» и появление суффикса -ли-ов для такого корня нехарактерны. Скорее всего, фамилия Вайлиов — это гибрид: немецкая основа «Вайль» плюс русский патронимический суффикс, который добавили при записи в метрические книги или при паспортизации в XIX веке.

Носители фамилии Вайлиов — потомки тех самых немецких колонистов, которые со временем обрусели, но сохранили в фамилии память о европейских корнях. Географически её стоит искать в Саратовской, Самарской областях, а также на юге Украины — в местах бывших немецких поселений. В дореволюционных списках она почти не встречается: вероятно, из-за вариативности написания (Вайлов, Вайлев, Вайлиов) и малой численности рода.