Фамилия Вилисов — одна из тех, что связывают русскую ономастику с прибалтийским регионом. Её основа — латышское мужское имя Виллис, которое при переносе в русскую среду обрусело и получило типичный суффикс -ов. По сути, это русифицированная прибалтийская фамилия, указывающая на происхождение предка из Латвии или смежных территорий.

Само имя Виллис имеет как минимум две версии происхождения. Первая и наиболее вероятная: это народная форма немецкого имени Вильгельм, которое складывается из древнегерманских корней will («желание, воля») и helm («шлем, защита»). В таком случае фамилия Вилисов несёт в себе значение «сын того, кто желает защиты» или «потомок волевого защитника». Вторая версия, менее распространённая, возводит Виллиса к латинскому имени Улисс (греческий Одиссей), то есть «умный, хитрый, ловкий». Однако для прибалтийского ареала германское влияние через рыцарские ордена и немецкую колонизацию было куда сильнее, поэтому версия с Вильгельмом выглядит правдоподобнее.

Словообразовательная модель проста: к основе Вилис- прибавили русский патронимический суффикс -ов, который в крестьянской и мещанской среде закрепился как фамильный. Такое оформление типично для фамилий, возникших в XIX веке у жителей западных губерний Российской империи, где латышские и литовские имена адаптировались под русскую грамматику. В отличие от исконно русских фамилий на -их или -ский, Вилисов — сравнительно поздний пример, когда чужое имя просто «обрусело» через суффикс.

Географически фамилия тяготеет к северо-западу России: Псковская, Новгородская, Ленинградская области, а также к самой Латвии, где встречается в русифицированной форме. Встречаемость невысокая, что говорит о локальном распространении. Сословно носители фамилии могли быть как крестьянами, переселившимися в русские губернии, так и мелкими ремесленниками или отставными солдатами из остзейских краёв.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Вилис, Вилисович, Виллисов — показывает, что вариант с одним «л» и окончанием -ов стал самым устойчивым в русской записи. Двойное «л» в исходном латышском имени при переносе часто упрощалось, что и закрепилось в фамилии.