Фамилия Вильгельмова сразу выбивается из ряда типичных русских фамилий своим звучанием. Её основа — немецкое личное имя Вильгельм (Wilhelm), состоящее из двух корней: «wil» (воля, желание) и «helm» (шлем, защита). В целом имя означает «решительный защитник» или «тот, кто защищает волей». В русской традиции такие фамилии чаще всего возникали у обрусевших немцев, лютеран или католиков, переселившихся в Российскую империю в XVIII–XIX веках. Суффикс -ов- типичен для русской патронимической модели: от имени отца (Вильгельм) образовали притяжательное прилагательное (Вильгельмов), а затем закрепили его в женской форме — Вильгельмова.

Интересная деталь: в отличие от фамилий на -ин (Петин, Иванин), суффикс -ов- указывает на то, что имя-основа было заимствованным и не склонялось по русским образцам как «свой». То есть предок носителя фамилии, скорее всего, был не крестьянином из глухой деревни, а человеком, чьё имя записали в официальных документах по-немецки, а фамилию русифицировали. В метрических книгах немецких колоний Поволжья, Прибалтики или Петербурга фамилия могла фиксироваться и как Wilhelmow, и как Вильгельмовъ.

Географически фамилия редкая. По данным современных справочников, наибольшая концентрация носителей — в Москве и Санкт-Петербурге, что косвенно подтверждает связь с городскими немецкими общинами. В сельской местности, особенно в бывших немецких колониях (Саратовская, Самарская губернии), фамилия встречается, но реже — там чаще оседали носители более «длинных» немецких фамилий вроде Шмидт или Мюллер.

Споров о происхождении почти нет: корень очевиден. Единственная альтернативная версия — что фамилия могла возникнуть от прозвища Вильгельм, данного русскому человеку за внешнее сходство с немцем или за любовь к немецкому порядку. Но это маловероятно: в крестьянской среде такое прозвище быстро превратилось бы в Вилька или Вилькин, а не в полную форму с суффиксом -ов-. Так что Вильгельмова — это почти всегда след немецких корней в русской родословной.