Фамилия Вилейкин образована от названия населённого пункта или реки — в этом сходятся почти все исследователи русских фамилий на -кин. Основа «Вилейк-» восходит к топониму Вилейка: так называется город в Минской области Беларуси (сейчас центр Вилейского района) и река Вилия, на которой он стоит. Суффикс -ин в фамилиях обычно указывал на принадлежность: Вилейкин — «тот, кто родом из Вилейки» или «живущий на Вилейке». Модель типична для северо-западных и белорусских земель, где топонимические фамилии с этим суффиксом встречаются часто.

Есть и более редкая версия: от личного прозвища Вилейка, которое могло произойти от диалектного глагола «вилять» — «хитрить, уклоняться». Но она менее убедительна: прозвище с таким окончанием для русского уха звучит как уменьшительное от имени или названия, а не как самостоятельная характеристика. К тому же, на территории бывшей Виленской губернии, где Вилейка была уездным городом, фамилия Вилейкин встречается в метрических книгах XIX века именно в контексте «из мещан города Вилейки» или «уроженец Вилейского уезда».

Суффикс -кин, а не -ский (Вилейский) или -ов (Вилейков), говорит о том, что фамилия сложилась в крестьянской или мещанской среде. На -ский обычно оформлялись дворянские или духовные фамилии, а на -кин — фамилии людей, чьи предки были приписаны к определённому месту как к месту жительства или прихода. Так что носитель фамилии Вилейкин, скорее всего, происходит из окрестностей современной белорусской Вилейки или с берегов Вилии.

В написании фамилии стоит обратить внимание на букву «е» в корне: в XIX — начале XX века часто писали «Вилейкин» через «ѣ» (Вилейкинъ), что подтверждает связь с топонимом, где «е» историческое. Никаких иноязычных корней или связи с еврейской фамилией Вилейкис (от литовского «vilkas» — волк) здесь нет — это разные ономастические линии.