Фамилия Вилинский чаще всего — фонетический вариант более известной фамилии Виленский. В основе лежит название города Вильно (историческое имя Вильнюса, столицы Литвы). В период, когда город входил в состав Польши, а затем Российской империи, в документах закрепилось именно это название. Человека, который был родом оттуда или имел к городу иное отношение, могли прозвать Виленским, а его потомки уже получили фамилию в форме Вилинский — замена «е» на «и» в безударном положении встречается в русской ономастике постоянно.

Само название города восходит к реке Вильня, на которой он стоит. Гидроним, в свою очередь, связывают с литовским vilnis — «волна». Так что в глубине фамилии лежит образ воды, волны, хотя для её носителей эта связь давно утрачена и неочевидна.

Суффикс -ский типичен для польской и западнорусской (белорусской, украинской) традиции. Такие фамилии часто указывали на географическое происхождение или принадлежность к местности. В дворянской среде фамилии на -ский были особенно распространены, но в случае с Вилинскими это не обязательно говорит о высоком сословии: прозвище по месту жительства мог получить и крестьянин, и мещанин.

Если сравнивать с однокоренными, то фамилия Виленский встречается чаще, особенно среди еврейского населения бывшей черты оседлости — там указание на город Вильно было одним из самых распространённых топонимических прозвищ. Вилинский — более редкий вариант, который мог закрепиться в русской или украинской среде из-за особенностей произношения или при переносе фамилии в другую языковую среду.

Других надёжных версий происхождения фамилии нет. Спекулятивные попытки связать её с личным именем Виля или с глаголом «вить» не выдерживают критики — суффикс -ский почти всегда указывает на топоним, а не на прозвище по занятию или имени.