Фамилия Вилькеева — редкий случай, где суффикс указывает на географию точнее, чем корень. Окончание -ева выдаёт в ней «мать» фамилии — женскую форму от мужской Вилькеев. А та, в свою очередь, образована через суффикс -еев, который в русских фамилиях почти всегда сигналит о нерусском, чаще всего тюркском, происхождении основы. Суффикс -еев (фонетический вариант -еев) характерен для фамилий, возникших в среде татар, башкир, чувашей или других народов Поволжья и Урала, где личные имена и прозвища оканчивались на мягкий согласный или -й.

Корень «Вильк-» — самый спорный элемент. Скорее всего, это не славянское «вилка» (столовый прибор), а искажённое тюркское имя или прозвище. В татарском и башкирском языках есть основа «бил» — «знающий, ведающий», а также «билге» — «знак, метка». Имя Бильке или Вильке могло означать «меченый» или «знающий». Есть и другая версия: от тюркского «бүре» (волк) — через форму Бүркәй или Биркәй, которая в русской записи превратилась в Вилькей. Менее вероятно, но возможно заимствование из немецкого Wilke (уменьшительное от Wilhelm) — но тогда фамилия скорее осела бы в Прибалтике или Петербурге, а не в Поволжье.

География фамилии Вилькеева это подтверждает. Основной массив носителей — в Татарстане, Башкортостане, Удмуртии и соседних областях. Это типичная «местная» фамилия, которая не разлетелась широко по России, а осталась в регионе своего возникновения. Скорее всего, предки Вилькеевых были крестьянами или мещанами из казанских или уфимских татар, принявших православие — фамилия оформлена по русской модели, но корень выдает этническое происхождение.

Если посмотреть на однокоренные фамилии — Вилькеев, Вилькей, Вилькевич — видно, что все они редки и встречаются в тех же краях. Это не фамилия дворянского рода, не купеческая династия, а именно народное прозвище, которое закрепилось за семьёй. По сути, Вилькеева — это «дочь (или жена) того, кого звали Вилькей», а Вилькей — человек с приметой, знаком или волчьей хваткой.