Фамилия Виллисов — редкий случай в русском ономастиконе, и её происхождение стоит искать не в славянских корнях, а в западноевропейском имени. В отличие от привычных Ивановых или Кузнецовых, эта фамилия образована от личного имени Виллис.

Модель образования здесь классическая для русских фамилий: суффикс -ов присоединяется к основе, отвечая на вопрос «чей?». Так на Руси часто называли сына или потомка человека по имени Виллис. Само имя Виллис — это вариант немецкого имени Вилли (Willi), которое, в свою очередь, является краткой формой от Вильгельм (Wilhelm). В дореволюционной России, особенно в среде обрусевших немцев, выходцев из Прибалтики или горожан, контактировавших с немецкими колонистами, такие имена могли записываться в метриках.

Вероятнее всего, предок носителя фамилии Виллисов был либо человеком немецкого происхождения, принявшим православие (фамилия русифицировалась через суффикс), либо русским, которому дали прозвище Виллис за какое-то внешнее сходство или манеры, напоминавшие «немца». Второй вариант встречается реже, но полностью исключать его нельзя: в народной среде иностранца или человека, подражавшего западной моде, могли прозвать по имени — и это прозвище закреплялось за его детьми.

Любопытная деталь: фамилия могла возникнуть и в более позднее время, уже в советский период, когда после революции 1917 года многие люди меняли паспортные данные. Иногда в качестве новой фамилии брали модное или необычное слово, например, имя западного политического деятеля или литературного героя. Но это лишь гипотеза; основной пласт носителей фамилии Виллисов, судя по сохранившимся архивным записям, всё же связан с потомками немецких колонистов Поволжья или Причерноморья.

Сегодня фамилия остаётся малочисленной. Её носители встречаются в основном в европейской части России, что подтверждает версию о немецких корнях: именно там исторически располагались немецкие поселения. Разобрать фамилию на морфемы просто: корень Виллис- и фамильный суффикс -ов. Ударение, скорее всего, падает на первый слог — Ви́ллисов, хотя в бытовой речи встречаются варианты.