Фамилия Вильгелм — редкий случай прямой, почти нетронутой фиксации немецкого личного имени в русской среде. В отличие от подавляющего большинства фамилий на -ов, -ин или -ский, эта не перерабатывала иноязычную основу с помощью русских суффиксов. Она застыла в исходном виде, что сразу указывает на её позднее происхождение и на то, что носитель, скорее всего, не был крестьянином или посадским человеком, а появился в русском документообороте уже с готовой фамилией.

Основа — древнегерманское двусоставное имя Wilhelm, где willio (воля, желание) слилось с helm (шлем, защита). В сумме — «решительный защитник» или «тот, кто защищает волей». Имя стало популярным в Европе благодаря франкским императорам, а позже — прусским королям. В России оно было известно в основном в двух формах: народной «Вильям» и более книжной, немецкой «Вильгельм». Фамилия Вильгелм возникла, вероятно, из-за упрощения конечного сочетания «ьм» на письме или при устной передаче: двойное «льм» сократилось до одинарного, а мягкий знак исчез.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где в XVIII–XIX веках селились немецкие колонисты: Поволжье, юг Украины, Прибалтика, а также к крупным городам вроде Петербурга и Москвы, где служили специалисты из Германии. Поскольку имя Wilhelm давали и лютеранам, и католикам, фамилия могла принадлежать как пастору или аптекарю, так и ремесленнику-часовщику. В дворянских родословных книгах она почти не встречается — скорее всего, её носили представители мещанского сословия или «иностранные специалисты» на русской службе.

Интересная деталь: в русских метрических книгах XIX века эту фамилию часто записывали на слух — встречаются варианты «Вилгельм», «Вильгельм», «Вильгелм» и даже «Вилгелм». Современное написание с одним «л» в середине и без мягкого знака на конце — результат либо канцелярской ошибки, либо сознательного упрощения при переходе от немецкого написания к русскому. Таким образом, фамилия Вильгелм — не столько «русская» по способу образования, сколько свидетельство прямого заимствования и адаптации чужого имени в русской языковой среде.