Фамилия Вильховая звучит как прилагательное женского рода, но в русской традиции она, скорее всего, является формой от мужской фамилии Вильховой или Вильховый. Такие фамилии на -ой/-ый типичны для южных и западных регионов России, а также для украинского и белорусского ареалов. В основе лежит слово «вильха» — диалектное название ольхи. В украинском и белорусском языках ольха называется «вільха» (вильха), отсюда и фамилия. В русском языке та же основа дала фамилию Ольховый, Ольховская.

Скорее всего, фамилия образована от прозвища или топонима. Предка могли прозвать Вильховым по месту жительства: он жил у ольховой рощи, в урочище Вильхи, или в деревне с таким названием. В Беларуси и на Украине есть несколько населённых пунктов с корнем Вильх-: Вильча, Вильховка, Вильховая. Переселенцы часто получали фамилию по названию покинутого села. Вторая версия — прозвище по характерному признаку: «вильха» могла указывать на цвет волос (рыжеватый, как ольховая кора) или на занятие — например, заготовку ольховых дров.

Суффикс -ов-/-ев- указывает на принадлежность: «сын Вильхового» или «из рода Вильховых». Интересно, что фамилия могла быть и семинарской, искусственной — в духовных училищах ученикам иногда давали фамилии по названиям растений или деревьев. Однако для Вильховой это менее вероятно: слишком конкретная диалектная привязка, характерная скорее для крестьянской среды.

Написание через «и» (Вильховая, а не Вельховая) чётко указывает на украинское или белорусское происхождение. В современных метрических книгах XIX века такую фамилию чаще всего встречали бы в Волынской, Минской, Киевской губерниях. Носитель фамилии, скорее всего, происходил из семьи, жившей среди ольховых лесов или в одноимённом хуторе.