Фамилия Вилейко звучит на слух как типичная белорусская или западнорусская — и это верное чутьё. Её выдают суффикс -ко и мягкое окончание, характерные для фамилий, которые закрепились на территории современных Беларуси, Украины и юго-западных областей России. Такие фамилии в массе своей возникли в XVI–XVII веках как уменьшительные или обиходные формы крестильных имён, прозвищ или названий по месту жительства.

Основа фамилии — Вилей. Это может быть сокращённая, бытовая форма от полного имени Вилентин (западный вариант Валентина) или же прозвище, связанное с рекой Вилия. Река Вилия (приток Немана) протекает по территории Беларуси и Литвы, и прозвище «Вилей» могли дать человеку, жившему на её берегах, переехавшему оттуда или торговавшему по ней. В таком случае фамилия Вилейко — это «маленький Вилей» или «сын Вилея», то есть человек, чей отец носил такое прозвище или имя.

Менее вероятна, но допустима связь с литовским корнем «viela» (проволока) или «vyti» (вить, гнуть). В этом случае прозвище Вилей мог получить мастер, занимавшийся плетением, изготовлением верёвок или проволочных изделий. Однако первая версия — от имени или гидронима — выглядит убедительнее, потому что для прозвищ по ремеслу в белорусской традиции чаще использовали более прямые обозначения (Коваль, Гончар, Ткач), а уменьшительная форма на -ей и -ко типична именно для имён и географических прозвищ.

Фамилия Вилейко не относится к числу аристократических или дворянских. В Российской империи такие фамилии чаще всего носили крестьяне, мещане и однодворцы, особенно на территории Минской и Виленской губерний. Встречаемость её и сегодня сосредоточена в Беларуси, а также в приграничных областях России и Польши, что подтверждает её региональное происхождение.