Фамилия Вильченко образована по модели, типичной для украинской и южнорусской ономастики: суффикс -енко, указывающий на «сына» или «потомка» человека, чьё имя или прозвище стало основой. В данном случае основа — Вилько, Вилька. Это уменьшительная форма от крестильного имени Вильгельм, которое пришло в русские земли через немецкое влияние, особенно в XVIII–XIX веках, когда в Российской империи служило много выходцев из немецких земель. Однако не стоит спешить с однозначным выводом: в украинской среде имя Вильгельм было редкостью, и куда вероятнее, что в основе лежит прозвище Вилько, связанное с диалектным словом «вільний» — свободный, вольный. В украинских говорах «вільний» могло через стяжение дать форму «вілько» или «вилько», а затем перейти в фамилию Вильченко — «потомок вольного человека».

Есть и вторая, более прозаичная версия: прозвище Вилько могло относиться к человеку с волчьими повадками или внешностью. В белорусских и украинских говорах «воўк» (волк) в уменьшительной форме звучит как «воўчко» или «вілько» (с переходом гласного под влиянием аканья). Тогда Вильченко — это «сын того, кого прозвали волчонком». Такая версия подкрепляется тем, что фамилии от названий животных — одни из самых массовых в славянском мире, и суффикс -енко в них обычен.

Географически фамилия Вильченко тяготеет к левобережью Днепра: Черниговская, Полтавская, Сумская области. Встречается она и в южных регионах России, куда переселялись украинские крестьяне в XIX веке. Социальный срез — преимущественно крестьянское или казацкое происхождение: суффикс -енко в XVI–XVII веках был распространён среди запорожских казаков и мещан, а позже закрепился как массовая модель у сельского населения.

В написании фамилии возможна вариативность: Вильченко, Вильченко, реже — Вільченко (с «і» на украинский лад). В документах XIX века можно встретить двойное «л» — Вилльченко, что отражает попытку писаря передать твёрдый звук. Но основная и устойчивая форма — с одним «л» и «е» в суффиксе.

Таким образом, носитель фамилии Вильченко с высокой долей вероятности происходит из украинской среды, где его предка называли либо «вільним» (свободным), либо «вовчиком» (волчонком). Вторая версия выглядит правдоподобнее — прозвища от животных в народе давали чаще, чем отвлечённые качества.