Фамилия Вилаева образована от прозвища или имени Вилай. Основа здесь — либо тюркское «вилай» (область, провинция, но в переносном смысле — «владыка», «правитель»), либо диалектный вариант имени Виля, которое в народе было сокращением от Владимир или Вильгельм. Суффикс «-ев» указывает на принадлежность: «чей?» — Вилаев, то есть сын или потомок Вилая.

Самый вероятный путь возникновения — через тюркское влияние. В Поволжье и Приуралье слово «вилай» (или «улай») бытовало как личное имя, иногда как прозвище человека, имевшего власть или авторитет в общине. В русской среде это имя переосмыслили по модели отчества: сначала говорили «Иван Вилаев сын», потом закрепилась фамилия. Менее распространённая версия — связь с глаголом «вить» (вилаев — тот, кто вьёт верёвки), но она слабее: от «вить» обычнее фамилии Витьев, Витухин.

Географически фамилия редкая, встречается в основном в Чувашии, Татарстане и соседних областях. Это указывает на регион, где тюркские и славянские именословы переплетались. Сословно предки Вилаевых могли быть как крестьянами, так и мелкими служилыми людьми — точных данных нет, но фамилия не дворянская и не купеческая, простого происхождения.

В написании стоит обратить внимание на ударение: в большинстве случаев оно падает на второй слог — Вила́ев. Если фамилия встречается с буквой «ё» (Вилáев), это случайное искажение, не меняющее этимологии. В целом, это пример того, как восточное слово прижилось в русской фамильной модели через отчество.