Фамилия Виллемсен образована от имени Виллем, которое является производной формой имени Вильхелм. Оно представляет собой сочетание двух германских основ: wil со значением «воля, желание» и helm, то есть «защита». Таким образом, именование Вильхелм можно трактовать как «тот, кто хочет защищать, оберегать, охранять». Фамилия Виллемсен образована при помощи компонента –сен, который восходит к германскому нарицательному «сон» со значением «сын».