Фамилия Вилиженцовы — прозвищная по происхождению, образованная от названия места, где жил или откуда был родом предок. Её основа — прозвище Вилиженец, а оно, в свою очередь, восходит к топониму Велиж. Это один из древнейших городов Смоленской области, стоящий на Западной Двине. Официальной датой основания Велижа считается 19 июля 1536 года: тогда по указу великого князя Ивана Васильевича и его матери Елены Глинской заложили городскую крепость. На перекрёстке торговых и военных путей Велиж много раз переходил из рук в руки, до конца XVIII века оставаясь яблоком раздора между Русским государством и Речью Посполитой. В разное время город посещали Екатерина II и Александр I.

Форма Вилиженец вместо ожидаемого Велиженец — результат фонетического изменения. Чередование гласных е/и возникло под влиянием икающих говоров, где безударное «е» произносится как «и». Такое написание и закрепилось в фамилии.

Сам топоним Велиж, скорее всего, образован от корня -вел- в значении «великий, большой». Компонент -иж в славянской топонимике нередко указывает на принадлежность к реке или другому водному объекту. Поэтому Велиж можно трактовать как «селение у большой реки» — что точно описывает его расположение на Западной Двине.

Фамилия построена по стандартной модели: прозвище на -ец (Вилиженец) плюс типичный русский суффикс принадлежности -ов. Суффикс указывает на патроним: «чей?» — Вилиженцов, то есть сын или потомок Вилиженца. Такая модель была особенно распространена в центральных и северных губерниях России, где фамилии активно формировались в XVI–XVII веках.

О точном времени появления фамилии Вилиженцовы данных нет — процесс становления фамилий у разных сословий шёл неравномерно и растянулся на несколько столетий. Однако сама фамилия — редкий пример того, как живой говор и местная география запечатлелись в родовом имени.