Фамилия Вилиляева — редкий случай, когда на первый план выходит не корень, а суффиксальная модель. Она образована по схеме, типичной для русских фамилий на -ев: от мужского имени или прозвища Вилиляй. Но само это имя — загадка. В официальных ономастических справочниках (например, у Б. Унбегауна или В. Никонова) оно не фигурирует, что указывает на его локальное, диалектное или даже единичное происхождение.

Скорее всего, основа Вилиляй — это разговорная форма крестильного имени. Самое вероятное исходное имя — Вилиант (от латинского «сильный»), которое в народной речи могло сократиться до Виля, а затем обрасти суффиксом -ляй (по аналогии с Васляй от Василий, Гридляй от Григорий). Вторая версия: от имени Вил или Вилий (редкая форма от Вильгельм или от славянского корня «вил» — «извилистый, вьющийся»), но она слабее, так как такие имена почти не встречались в крестьянской среде.

Суффикс -ляй в русских прозвищах указывал на носителя какого-то качества или действия: например, гугляй (гуляка), вертляй (непоседа). Возможно, Вилиляй — прозвище человека, который «виляет» (изворачивается, хитрит), но это лишь догадка, не подкреплённая надёжными источниками. Филологически правдоподобнее версия с крестильным именем, так как фамилии на -ев чаще образовывались от имён, а не от прозвищ.

Географически фамилия встречается крайне редко, в основном в центральных регионах России и в Поволжье. В дореволюционных метрических книгах её почти нет, что говорит о позднем закреплении — возможно, в XIX веке, когда многие крестьяне получали фамилии при переписях. Социально предки Вилиляевых, скорее всего, были государственными или помещичьими крестьянами, а не дворянами или купцами: фамилия не имеет дворянских суффиксов (-ский, -инов) и не связана с известными родами.

Таким образом, фамилия Вилиляева — продукт народной переработки редкого крестильного имени, зафиксированный поздно и в узком ареале. Её уникальность в том, что она сохранила забытую форму, которую не найти в словарях.