Фамилия Вилежанина — это женская форма фамилии Вилежанин, а та, в свою очередь, типичный пример «географической» фамилии, образованной от названия места жительства или происхождения предка. Основа здесь — топоним Вилежанка или Вилежаны. Такое название могла носить деревня, речка или урочище. Суффикс -анин (в женском роде — -анка) в русских фамилиях прямо указывает на принадлежность к местности: «тот, кто из Вилежан», по той же модели, что и житель Твери — тверитянин, а его потомок — Тверитинов.

Корень «вил-» в названии, скорее всего, связан с диалектным словом «вила» или «вилы». В говорах севера и северо-востока Руси так называли не только сельскохозяйственный инструмент, но и развилку реки, ручей, раздвоенный овраг, а также извилистую дорогу. То есть Вилежаны — это поселение, стоявшее у развилки рек или на изгибе русла. Вторая часть, -еж-, могла быть суффиксом, образующим название места (сравните: «телега» — «тележный»), или же искажением более древнего названия.

Ареал фамилии тяготеет к Русскому Северу, особенно к Архангельской и Вологодской областям, а также к Вятке. Там, в бассейне Северной Двины и её притоков, много рек с извилистым течением и деревень с похожими названиями (Вилегод, Виледь, Виляж). Носитель фамилии Вилежанин — это, скорее всего, потомок крестьянина или посадского человека из небольшого северного села, который переселился в другое место, но сохранил в фамилии память о малой родине.

В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые часто образовывались от имени или прозвища отца, фамилия Вилежанин — «территориальная» и более редкая. Она не указывает на род занятий, а служит географическим маркером. Встречается и вариант написания с одной «н» — Вилежанин, что связано с упрощением в разговорной речи, но исторически верной считается форма с двойным «н» по аналогии с «рижанин», «киевлянин».