Фамилия Вилижевцов почти наверняка образована от прозвища Вилижевец, которое указывало на выходца из города Велиж (Смоленская область). Чередование «е» на «и» в корне — типичное явление для икающих говоров, где безударный звук произносится как «и», а затем закрепляется в письменной форме. Таким образом, исходная форма прозвища — Велижевец.

Сам топоним Велиж, скорее всего, восходит к корню «-вел-» в значении «великий, большой», а компонент «-иж» указывает на принадлежность к географическому объекту, в данном случае — к реке. Название можно трактовать как «селение у большой реки»: город стоит на Западной Двине. Официальной датой основания Велижа считается 19 июля 1536 года, когда по указу великого князя Ивана Васильевича и его матери Елены Глинской здесь заложили крепость. До конца XVIII века город оставался яблоком раздора между Россией и Речью Посполитой, не раз переходил из рук в руки и подвергался разорению. Позже его посещали Екатерина II и Александр I.

Модель образования фамилии — прозвище на -ец (Вилижевец) плюс патронимический суффикс -ов. Это типичная схема для русских фамилий: сначала называли человека по месту выхода (кто ты? — велижевец), а затем его потомков — по отцу (чей сын? — Вилижевцов). Фамилия редкая, её география, скорее всего, привязана к северо-западу России и Смоленщине, хотя из-за исторических миграций носители могли расселиться шире.