Фамилия Виллисова — редкий для русского быта случай, когда иноязычная основа «оделась» в стандартный русский суффикс притяжательности -ов (в женском роде -а). Если отбросить окончание, корень — Виллис. В русской ономастике фамилии на -исов, -ис обычно указывают на западное, чаще всего немецкое или скандинавское, происхождение основы. Скорее всего, в основе лежит имя или прозвище Виллис — уменьшительная форма от имени Вильгельм (немецкое Wilhelm, где Will- означает «воля, желание»). В немецкой традиции Виллис — это либо самостоятельное имя, либо ласкательное обращение к Вильгельму.

Фамилия могла возникнуть двумя путями. Первый: в Россию приехал носитель фамилии Willis (английская или немецкая фамилия) или просто человек по имени Виллис, и его дети или потомки русифицировали фамилию, добавив суффикс -ов. Так появились Виллисовы. Второй путь: фамилию дали в среде русских поселенцев, например, в Прибалтике или Поволжье, где жили немецкие колонисты. Священник или писарь мог записать местного жителя по отцу: «чей сын? — Виллисов», то есть сын Виллиса.

Географически фамилия Виллисова (и мужской вариант Виллисов) тяготеет к регионам с историческими немецкими общинами: бывшая Санкт-Петербургская губерния, Поволжье, а также к территориям, где в XIX веке активно селили иностранцев. Встречается она крайне редко, что делает её маркером: предки носителя почти наверняка были либо выходцами из немецких колоний, либо обрусевшими иностранцами, принявшими православие и с ним — русскую модель фамилии.

Интересная деталь: в отличие от большинства русских фамилий на -ов, где основа — полное имя (Иван → Иванов), здесь основа — уменьшительная, почти домашняя форма. Это говорит о том, что фамилию давали не по официальному имени, а по бытовому прозвищу, которое закрепилось в семье. Социально это могла быть фамилия мастерового, мещанина или крестьянина, но не дворянина — дворянские фамилии с такой основой почти не встречаются.