Фамилия Вилимене — редкая и нестандартная для русского уха. Её происхождение, скорее всего, не славянское, а западноевропейское, что сразу выделяет её из ряда типичных русских фамилий на -ов, -ин или -ский.

С точки зрения словообразования, фамилия Вилимене не вписывается в русскую модель: в ней нет привычных суффиксов принадлежности. Наиболее вероятна версия, что это русифицированная форма литовской или латышской фамилии. В балтийских языках распространены фамилии с окончаниями -ене, -ине, -айте, обозначающие принадлежность или происхождение (например, литовская фамилия Vilimienė — от мужской формы Vilimas). Таким образом, Вилимене могла образоваться от мужского имени или прозвища Вилимас (Vilimas) — уменьшительной формы от Вильгельм (лит. Vilhelmas). В этом случае фамилия буквально означает «жена или вдова Вилимаса», а затем закрепилась за потомками как наследственная.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с французским корнем, где фамилия могла быть искажённым Villemaine (от ville — «город» и main — «рука», либо от топонима). Однако для русского ареала балтийский след выглядит убедительнее: фамилии на -ене, -ене часто встречаются в западных губерниях Российской империи (Ковенской, Виленской) и у переселенцев из Прибалтики.

Если исходить из балтийской версии, предки носителей фамилии Вилимене — выходцы из Литвы или Латвии, которые могли переселиться в центральную Россию в XIX–XX веках. В русском быту окончание -ене могли заменить на -ене для упрощения произношения, или это уже оригинальная литовская форма, зафиксированная в документах. В любом случае, фамилия хранит память о западных корнях и о том, что её первый носитель в России, вероятно, был человеком из другого языкового мира, чью фамилию адаптировали на русский лад.