Фамилия Вилеева — женская форма фамилии Вилеев, и её происхождение связано с несколькими возможными корнями, но наиболее вероятный из них — географический. В основе лежит название реки Виледь, протекающей в Архангельской области, или населённых пунктов с похожим названием (например, село Виледь). Человек, живший на берегу этой реки или выходец из тех мест, мог получить прозвище «Вилей» или «Вилеев», которое затем закрепилось как фамилия. Такая модель образования — от названия реки или местности через суффикс -ев — типична для северорусских фамилий, особенно в Поморье и Вологодчине.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Вилеев буквально значит «сын Вилея» или «человек из рода Вилея». Само прозвище Вилей могло быть сокращённой формой от имени Викентий или Виталий, но в условиях Русского Севера чаще давалось по месту жительства. Есть и другая версия: от диалектного слова «вила» (развилина, изгиб) — так могли прозвать человека, жившего у излучины реки или на развилке дорог. Однако для фамилии Вилеева связь с гидронимом Виледь выглядит убедительнее, поскольку река дала название целому региону, и фамилии от неё встречаются в архангельских и вологодских переписях XVII–XVIII веков.

С точки зрения социального контекста, носители фамилии Вилеев (и Вилеева) в основном относились к крестьянскому сословию, реже — к купеческому. В метрических книгах XIX века Вилеевы встречаются в Вологодской губернии, особенно в Сольвычегодском и Великоустюгском уездах. Это подтверждает связь с рекой Виледь, которая протекает именно там. Фамилия не была широко распространена за пределами этих мест, что делает её локально маркированной: по ней можно определить, что предки человека жили на северо-востоке европейской части России.

Если же отталкиваться от редкого варианта — от имени Вилей как уменьшительной формы от Владимир (через народное «Володя» → «Волей» → «Вилей»), то фамилия могла возникнуть в любой области, где бытовало такое имя. Но эта версия менее состоятельна, так как документальных подтверждений бытования имени «Вилей» в русской ономастике почти нет. В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» подобные формы не упоминаются, а вот топонимическая основа для фамилии Вилеев — прямая и частая.

В итоге: фамилия Вилеева с большой вероятностью ведёт начало от реки Виледь, а её носители — потомки жителей северных русских земель, где река дала имя и людям, и их роду.