Фамилия Вилий — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. В отличие от большинства русских фамилий на -ов, -ев или -ин, она представляет собой чистую основу без типичного патронимического суффикса. Такая форма наводит на мысль, что перед нами либо позднее искусственное образование, либо фамилия, застывшая в виде прозвища или имени, которое не стали русифицировать.

Самая вероятная версия — связь с мужским именем Вилий. В русском именослове это имя встречается редко и имеет два источника. Первый — латинское имя Вилий (Vilius), которое возводят к латинскому корню со значением «воля» или «желание», хотя в античную эпоху оно было родовым именем (nomen). Второй источник — новое советское имя, образованное от имени Владимир Ильич Ленин (Владимир Ильич → Вилий). Такие имена-аббревиатуры (Вилен, Владлен, Ким) были популярны в 1920–1930-е годы. Если фамилия Вилий возникла в это время, её могли дать или взять в качестве новой, идеологически окрашенной фамилии, либо она образована от соответствующего личного имени.

Менее вероятная, но возможная версия — происхождение от прозвища. В южнославянских языках, например в болгарском, слово «вилий» может быть связано с «вила» (мифическое существо) или с глаголом «вия» (вить, извиваться). Однако для русской почвы такое прозвище нетипично, и фамилия почти не встречается в исторических документах до XX века.

Суффикса в фамилии нет, что указывает на её относительно позднее оформление. В русской традиции фамилии без суффикса (так называемые «чистые» основы) часто принадлежали выходцам из духовенства (полученные в семинариях) или иностранцам. Но в случае с Вилий скорее всего это либо советское новообразование, либо очень редкая фамилия, возникшая из личного имени без изменений. Географически она не привязана к конкретному региону — носители встречаются точечно, что подтверждает версию об искусственном или случайном происхождении.

Однокоренных фамилий, которые были бы широко распространены, нет. Ближайшие по форме — Вильев, Вильин — образованы от имени Виль (краткая форма от Вильгельм или Вилий), но они тоже редки. Фамилия Вилий стоит особняком и вряд ли восходит к ремеслу или географическому названию. Скорее всего, её корень — в личном имени, которое в XX веке стало фамилией.