Фамилия Виллемсен — это типичный пример скандинавской модели фамилии-отчества. Её основа — имя Виллем, которое, в свою очередь, является нидерландской и фризской краткой формой от Вильхельм (в русской традиции — Вильгельм). Имя это составное, из двух древнегерманских корней: wiljō («воля, желание») и helmaz («шлем, защита»). В буквальном смысле Вильхельм — это «тот, кто хочет защищать», человек с сильной волей к охране.

Суффикс -сен в фамилии — ключевая деталь, указывающая на географию. В отличие от немецкого или английского окончания -son, форма -sen характерна для датского, норвежского и, реже, северогерманского (шлезвиг-гольштейнского) ареала. Он восходит к тому же слову son (сын). То есть Виллемсен исторически значило «сын Виллема».

Такая модель образования фамилий была особенно распространена в Дании и Норвегии до конца XIX века, когда её законодательно закрепили как обязательную. В Норвегии, например, фамилии с -sen носят до 40% населения. Однако само имя Виллем в этой форме чаще встречается не в Скандинавии, а в Нидерландах и Фландрии. Это создаёт интересную ситуацию: носитель фамилии Виллемсен мог быть потомком голландца, эмигрировавшего в Данию, или же датчанина, чей предок носил редкое для Скандинавии имя Виллем.

Написание с двумя «л» (Willemsen) — стандартное для нидерландского языка, где оно означает то же самое: «сын Виллема». В русской передаче двойная «л» сохраняется, но окончание -сен вместо -сон выдаёт именно скандинавский или северогерманский вариант, а не английский или немецкий. Если бы фамилия образовалась в Германии, она скорее выглядела бы как Вильгельмсен, а в Англии — как Уильямсон.