Фамилия Виличенко — один из тех случаев, когда привычное украинское окончание скрывает за собой неочевидную и даже спорную основу. Суффикс «-енко» (в безударной позиции часто переходящий в «-єнко» в украинском написании) однозначно указывает на восточнославянское, преимущественно украинское происхождение. В XVI–XVIII веках эта модель была самой продуктивной в Поднепровье и Слобожанщине: «-енко» означало «сын», «потомок» или «ученик» (например, Иванченко — сын Ивана). Так что первый носитель фамилии был, скорее всего, чьим-то сыном или подмастерьем.

Сложность в том, что корень «Вил-» допускает сразу несколько трактовок, и ни одна из них не является абсолютно доказанной. Самое простое объяснение — отчество от уменьшительной формы имени Виль, которое в свою очередь могло быть сокращением от Вилим (народная форма имени Вильгельм). Такие имена встречались у украинцев и белорусов, особенно в западных регионах, под влиянием польской и немецкой культуры. В этом случае фамилия Виличенко — аналог русских Вильев или Вильямов, но с характерным украинским суффиксальным оформлением.

Другая, не менее правдоподобная версия — от прозвища Вила или Вил. В южнорусских и украинских говорах «вила» — это не только сельскохозяйственное орудие, но и человек с длинными, торчащими в стороны зубами или неровными передними зубами. Такое прозвище давали по внешней примете. Оно могло закрепиться как Вилин (чей? — Вилин сын), а затем перейти в патронимическую форму Виличенко через промежуточную стадию Вилич (сын Вилы). Этот путь сложнее, но он объясняет появление суффикса «-ич-» в основе, который часто встречается в украинских фамилиях на «-енко» (ср. Кузьмиченко от Кузьмич).

Менее вероятно, хотя и не исключено, что фамилия связана с топонимом. В Украине есть несколько сел с названием Вили (в Черниговской, Сумской областях), а также река Вилинка. Выходец из такого места мог получить прозвище Вилич, от которого затем образовалось Виличенко. Однако топонимическая версия обычно уступает антропонимической (от имени или прозвища) по частоте встречаемости.

Географически фамилия Виличенко сегодня рассредоточена, но её ядро — центральные и восточные области Украины, а также юг России, куда переселялись украинские крестьяне в XIX веке. Сословная принадлежность предков, скорее всего, была крестьянской или казацкой: фамилии на «-енко» в массе своей не были шляхетскими, а принадлежали свободному сельскому населению, которое не носило фамилий до ревизий XVIII века. Никаких выдающихся исторических деятелей с этой фамилией в открытых источниках не зафиксировано — перед нами рядовая, но оттого не менее интересная фамилия, чья этимология остаётся полем для исследовательской дискуссии.