Фамилия Вилигина — женская форма, а её основа, мужская фамилия Вилигин, образована по одной из самых распространённых в русском языке моделей: от прозвища или имени с помощью суффикса -ин. Этот суффикс, как правило, присоединялся к основам, оканчивающимся на -а или -я, и означал принадлежность: «чей сын?» — «Вилигин», то есть сын Вилиги.

Корень фамилии — «Вилиг-» — самый интересный и неоднозначный. В русском языке нет общеупотребительного слова «вилига». Скорее всего, перед нами вариант имени или прозвища, которое подверглось фонетическим изменениям. Самая правдоподобная версия: Вилигин — это видоизменённая форма от имени Вилигей (Вилигей, Виликай), которое, в свою очередь, является народной формой крестильного имени Вилигельм (немецкого происхождения, от Wilhelm — «шлем» и «воля»). В русских говорах западных областей, особенно на границе с Польшей и Беларусью, немецкие имена часто переделывались на свой лад, и Вилигей могло превратиться в Вилигу. Тогда Вилигин — это «сын Вилиги», то есть потомок человека, которого в быту звали Вилигой.

Менее вероятная, но возможная версия — от прозвища, связанного с диалектным глаголом «вилять» или «вилиться» (изгибаться, колебаться). В этом случае Вилига могло быть прозвищем изворотливого, нерешительного или кривоногого человека. Однако для фамилии, образованной по модели -ин, основа на -а (Вилига) типична как раз для прозвищ, а не для полных крестильных имён, что делает эту версию допустимой, хотя и менее обоснованной, чем связь с именем Вилигей.

Географически фамилия Вилигин (и Вилигина) редкая и тяготеет к северо-западу России, а также к регионам, где исторически было сильное немецкое влияние и смешение языков — например, к бывшим губерниям Петербургской, Псковской или Смоленской. В метрических книгах XIX века носители этой фамилии встречаются среди крестьян и мещан, что подтверждает её происхождение из простонародной среды, а не из дворянской. Ударение, скорее всего, падает на второй слог: Вили́гина.