Фамилия Вильмансон — редкий для России пример фамилии, образованной по западной (немецкой или скандинавской) модели. Её основа — личное имя Вильман (Willmann), а суффикс -сон (в оригинале -sohn) означает «сын». Таким образом, Вильмансон — это «сын Вильмана». В русской среде такие фамилии обычно приносили переселенцы из Германии, Швеции или Прибалтики, часто — мастера, ремесленники или военные специалисты, приглашённые в Россию в XVIII–XIX веках.

Само имя Вильман представляет собой сложное германское двухосновное имя: «виль» (воля, желание) + «ман» (человек). В буквальном смысле — «человек с сильной волей» или «волевой муж». В немецкоязычной среде фамилия Willmann встречается довольно часто, а её патронимическая форма Willmannson (или Wilmannson) — уже редкость. В России фамилия могла адаптироваться: окончание -сон писали по-русски без изменений, а ударение, скорее всего, падало на последний слог — Вильмансо́н, по аналогии с другими «иностранными» фамилиями.

Интересно, что в России фамилия Вильмансон могла возникнуть и как «перевод» более простой немецкой фамилии Вильман. Дело в том, что в документах XIX века русские чиновники нередко добавляли к фамилиям иностранцев типичные русские окончания или, наоборот, русифицировали их. Но здесь мы видим обратный случай: сохранение чужого суффикса, что указывает на сознательное следование западной традиции. Носители фамилии, скорее всего, принадлежали к обрусевшим немцам или шведам, жившим в Петербурге, Поволжье или на Украине.

Встречается также вариант написания с одной «л» — Вильмансон. Оба варианта возможны, но форма с двумя «л» (Вильмансон) точнее передаёт немецкий оригинал Willmann. В любом случае, это фамилия, чётко указывающая на происхождение предка по мужской линии и его западноевропейские корни.