Фамилия Вилемсон — редкий для России пример фамилии, образованной по западной модели «имя + -сон». Корень здесь — мужское имя Вилем, которое представляет собой западнославянскую или прибалтийскую форму имени Вильгельм (в русской традиции — Вильгельм, а в бытовой — Виля). Суффикс -сон (от шведского son — «сын») буквально означает «сын Вилема». Такая модель типична для шведской, норвежской, датской и отчасти немецкой ономастики, где фамилии на -son массово закрепились в XIX веке.

В России фамилия Вилемсон — явный след обрусевших иностранцев. Чаще всего её привозили шведские или немецкие колонисты, переселявшиеся в Прибалтику, а затем в центральные губернии. Встречается она и среди потомков остзейских немцев (дворян и горожан), у которых фамилия могла писаться как Willemson, а при русификации утратила удвоенную «л». Поскольку имя Вильгельм было популярно в протестантской среде, Вилемсоны — это почти всегда потомки выходцев из Швеции, Финляндии или немецких княжеств.

Интересная деталь: в отличие от русских фамилий, которые меняли окончание по падежам (Вилемсонов, Вилемсону), эта фамилия часто оставалась несклоняемой — особенно в мужском роде. В женском варианте она и вовсе не склонялась, что необычно для русского уха. Это дополнительно подчёркивает её иноязычное происхождение: носители долго сохраняли исходную грамматику.

Если сравнивать с однокоренными, то в России куда чаще встречаются Вильгельмсон, Вильгельмов и даже Вилемов — последние уже чисто русские по суффиксу. А вот Вилемсон — маркер именно скандинавского или немецкого способа записи. По сословной принадлежности предки могли быть и ремесленниками, и купцами, и лютеранами-пасторами: имя Вильгельм в этих кругах было распространено шире, чем в крестьянской среде.

Точных данных о первых носителях фамилии в России нет, но можно уверенно сказать: появление Вилемсонов в документах — не раньше петровского времени, когда в страну хлынули иностранные специалисты. С тех пор фамилия остаётся редкой, но стойкой — её не русифицировали, не переделали в «Вилемов», что говорит о сознательном сохранении фамильного корня.