Фамилия Вильховой — один из тех случаев, когда ударение и окончание сразу указывают на модель образования, не самую частую в русском ономастиконе. Это фамилия с суффиксом -ов- и окончанием -ой, что характерно для южнорусских и украинских земель. В северных и центральных областях России чаще встречается форма Вильхов (с нулевым окончанием) или Вильховский. Окончание -ой в фамилиях (как Толстой, Благовой, Вильховой) исторически было прилагательным мужского рода в именительном падеже, и оно лучше сохранилось в южных говорах.

Основа фамилии — «вильха». Это диалектное, преимущественно украинское и южнорусское название ольхи. В литературном русском языке дерево называют ольхой, а в народных говорах Курской, Воронежской, Белгородской областей и на Украине бытует форма «вильха» или «вільха». Соответственно, прозвище Вильха получал человек, живший у ольховой рощи, либо тот, кто занимался обработкой ольховой древесины. Ольха считалась «нечистым» или «кровавым» деревом в народных поверьях (из-за красного сока на срезе), но в хозяйстве ценилась: из нее делали срубы колодцев, потому что древесина не гниет в воде, и использовали как топливо.

Менее вероятная, но допустимая версия — связь с польским или белорусским корнем. В польском языке «wilga» означает иволгу, а «wilch» — влажность, сырость, но фамилия Вильховой тяготеет именно к «ольховой» этимологии, поскольку суффикс -ов- здесь типичен для притяжательных прилагательных от названий деревьев: Берёзов — Берёзовая роща, Дубов — дубовый, Вильховой — ольховый.

Встречаемость фамилии невысокая. Основные очаги — юг России (Ростовская область, Краснодарский край) и восточные области Украины. В дореволюционных переписях носители фамилии чаще всего числились крестьянами и казаками, что согласуется с региональной привязкой: ольха растет по сырым низинам и поймам рек, и прозвище могло закрепиться за человеком, чей двор стоял в такой местности.

В написании возможна путаница: иногда фамилию записывают как Вильховый (с окончанием -ый), но форма Вильховой — более архаичная и точная с точки зрения исторической грамматики. В современных паспортах встречаются оба варианта, и это не ошибка, а следствие унификации окончаний в советское время.