Фамилия Верхилеева — женская форма фамилии Верхилеев. В русской традиции фамилии на -ев/-ов образовывались от имён, прозвищ или названий профессий, оканчивающихся на согласный или -й. В данном случае основа — «Верхилей», которая сама по себе является производной.

Корень фамилии — «верх». Это указывает на прозвище, связанное с положением в пространстве или в обществе. В русских говорах «верхилей» или «верхиля» могли называть человека высокого роста, того, кто «верховодит», или же обитателя верхней части села — «верха». В старину при расселении в деревнях часто выделяли «верхний конец» и «нижний конец», и жителей «верха» именовали по месту жительства.

Словообразовательная модель с суффиксом -еев (-еев) встречается реже, чем стандартное -ев. Она характерна для фамилий, образованных от прозвищ на -ей, -ай, -яй. Верхилей — это, скорее всего, не церковное имя, а именно прозвище, которое дали человеку по его характерной черте. В говорах слово «вершила» означало «главный, распорядитель», и «Верхилей» могло быть его диалектным вариантом.

С географической точки зрения фамилия редкая. Встречается преимущественно в Поволжье и на Урале, что типично для фамилий, зафиксированных в среде крестьянства и городских сословий не ранее XVII–XVIII веков. В более ранних документах, например, в переписных книгах, прозвище «Верхилей» могло не попасть в письменные источники из-за своей диалектной природы.

Версия о происхождении от тюркского или финно-угорского корня маловероятна: основа «верх» — исконно славянская, и фамилия вписывается в модель русских прозвищных фамилий. Носительница фамилии Верхилеева может быть уверена: её предок получил прозвище либо за высокий рост, либо за то, что жил «на верху» села, либо за властный характер.