Фамилия Вилимовская — классический пример того, как географическое название превращается в родовое имя. Её основу составляет топоним: село, деревня или местечко с названием Вилимово, Вилимов или Вилимова. Такие названия, в свою очередь, восходят к личному имени Вилим — старой, народной форме канонического имени Вильгельм (в польской и западнорусской традиции оно звучало как Вильгельм, а в бытовом произношении часто редуцировалось до Вилим). Таким образом, первый носитель фамилии, скорее всего, был выходцем из поселения, основанного неким Вилимом.

Суффикс -ск- указывает на то, что фамилия формировалась по модели, типичной для польской и западнорусской шляхты, а также для духовенства. В XVIII–XIX веках такие фамилии часто получали священники при окончании семинарии — им давали фамилию по названию родного села или прихода. Вилимовская могла появиться и у крестьянина, переселившегося в город и записанного по месту прежнего жительства, но в таком случае окончание -ская чаще встречается у женщин, тогда как мужская форма — Вилимовский.

Географически фамилия тяготеет к западным регионам бывшей Речи Посполитой: современные Беларусь, Украина, Польша, а также западные области России (Смоленщина, Брянщина). Встречается она нечасто, что подтверждает её локальное происхождение — от конкретного, а не массового топонима.

С точки зрения словообразования, Вилимовская стоит в одном ряду с фамилиями типа Виленская, Витебская, Вилькомирская — все они построены по одинаковой схеме «топоним + -ск- + родовая флексия». Разница лишь в том, что основа Вилимов- образована от уменьшительной или притяжательной формы имени, а не напрямую от названия города.

Если ваш предок носил эту фамилию, он, вероятно, был либо мелким помещиком (шляхтичем) из-под Вилимова, либо священником, получившим фамилию при рукоположении. Точнее сказать можно только после обращения к метрическим книгам и ревизским сказкам — в них часто указывали сословие и место выхода.