Фамилия Вилимок — редкий случай, когда в основе лежит не русское, а западнославянское или, что вероятнее, украинское или белорусское производное от имени Вильгельм. В русской традиции это имя закрепилось в форме Вильгельм, но через польское посредничество (Wilhelm) оно дало уменьшительную форму Вилим. Суффикс -ок в фамилии указывает на то, что перед нами не просто отчество, а прозвищное имя по родству: Вилимок — это «маленький Вилим», то есть сын или младший родственник человека с таким именем.

Подобная модель образования — от уменьшительного имени с суффиксом -ок — встречается в восточнославянских фамилиях нечасто. Обычно отчества заканчиваются на -ов/-ев или -ин, а здесь мы видим архаичную форму прямого именования по отцу без добавления патронимического суффикса. Это сближает Вилимок с такими фамилиями, как Бондарок, Грибок, Козубок, которые фиксировались в основном на территории современной Украины и юго-западных областей Беларуси.

Само имя Вильгельм пришло в славянские земли вместе с немецкими колонистами и католическим влиянием. В Речи Посполитой оно было распространено среди шляхты и горожан, но могло встречаться и у крестьян, особенно в регионах смешанного населения. Носитель фамилии Вилимок, скорее всего, происходил из семьи, где предка звали Вилимом — либо по крещению, либо по прозвищу, которое закрепилось за человеком, работавшим у немца или служившим у пана с таким именем.

Географически фамилия сегодня редка и встречается точечно. Единичные носители зафиксированы в Беларуси и на западе Украины, а также среди потомков переселенцев в Сибири и на Дальнем Востоке. В дореволюционных метрических книгах фамилия могла писаться как Вилимо́к или Вилимо́к, с ударением на последний слог, что характерно для украинских фамилий на -ок.

Ономастические словари не дают развёрнутой статьи на «Вилимок», но по аналогии с фамилией Вилимович (из словаря Б. Унбегауна) можно уверенно говорить о западнославянском корне. Споров вокруг происхождения нет — все версии сходятся к имени Вильгельм, а разница лишь в том, через какой язык (польский, белорусский или украинский) это имя попало в фамилию.