Фамилия Вилис — редкий случай, когда русская по форме фамилия скорее всего имеет нерусские корни. В отличие от подавляющего большинства русских фамилий на -ов, -ев или -ин, окончание -ис здесь настораживает. Это окончание нетипично для исконно русских фамилий, образованных от полных форм крестильных имён или прозвищ. Скорее всего, перед нами фамилия, попавшая в русскую среду извне.

Самая вероятная версия — латышское или литовское происхождение. В латышском языке имя Вилис (Vilis) — это народная форма имени Вильгельм (аналог русского Вильгельм или немецкого Wilhelm). Оно означает «шлем» и «защита». Фамилия, образованная от этого имени без дополнительных суффиксов (просто Вилис), характерна для латышской ономастики, где часто использовали «чистую» форму имени. В Латвии фамилия Вилис встречается, и её носители — потомки человека по имени Вилис.

Однако есть и вторая, менее очевидная версия. В некоторых говорах русского Севера и Сибири слово «вилис» могло быть искажённым вариантом слова «велес» или относиться к диалектному глаголу «вилить» — извиваться, уклоняться. В таком случае фамилия могла возникнуть как прозвище увёртливого, хитрого человека. Но эта версия слабее: слишком мало свидетельств бытования такого прозвища, и суффикс -ис для русского прозвища аномален.

Географически фамилия Вилис в России встречается точечно, чаще всего в регионах, граничащих с Прибалтикой, или в среде потомков латышских переселенцев XIX века. Сословно её носители могли быть как крестьянами, так и мещанами, но точных данных о преобладании какого-то одного сословия нет. Уникальность фамилии в том, что она почти не даёт вариантов для этимологии в рамках славянских языков и заставляет обращаться к балтийскому культурному слою.