Фамилия Вилисова — это русифицированная прибалтийская фамилия, в основе которой лежит латышское мужское имя Виллис. Словообразовательная модель проста: к основе имени добавили русский патронимический суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?»), а затем оформили по женскому роду. Потомок человека по имени Вилис со временем и получил фамилию Вилисов.

Происхождение самого имени Виллис спорно. Самая распространённая версия связывает его с немецким именем Вильгельм, которое восходит к древнегерманским корням will («желание, воля») и helm («шлем»). В таком случае фамилия несёт значение «защитник с сильной волей». Однако есть и альтернативная гипотеза: Виллис могло стать формой латинского имени Улисс (греческого Одиссей), которое переводят как «умный, хитрый, ловкий». Эта версия менее убедительна для русской ономастики, так как латышское имя Виллис исторически бытовало именно в балтийском ареале, где влияние немецкой культуры было сильнее античной.

С точки зрения географии, фамилия Вилисовы встречается в регионах, граничащих с Латвией и Эстонией, а также в местах переселения прибалтийских крестьян в XIX–XX веках — например, в Псковской и Ленинградской областях. В дореволюционной России такие фамилии часто получали латыши и эстонцы при поступлении на государственную службу или при переезде в русскоязычную среду, где их отчества русифицировали. Изначально фамилия могла звучать как Вилис, без суффикса, но в метрических книгах её адаптировали под общерусскую модель.