Фамилия Вильмич — редкая и неочевидная для русского уха. Её основа и суффикс сразу указывают на нерусское происхождение, скорее всего, западнославянское или южнославянское. Суффикс «-ич» в русских фамилиях обычно встречается у потомков духовенства (в виде исключения) или у выходцев из Беларуси, Украины, Польши, Сербии, Хорватии. В этих языках «-ич» — самый распространённый патронимический суффикс, означающий «сын такого-то». Соответственно, Вильмич — это «сын Вильмы» или «потомок Вильмы».

Имя или прозвище Вильма — сокращённая форма от Вильгельм (немецкое Wilhelm). Это имя принесли в Восточную Европу немецкие колонисты, ремесленники и купцы, особенно активно селившиеся в Прибалтике, Польше, на Волыни и в Галиции. В славянской среде немецкое имя быстро адаптировали: в польском языке оно звучало как Wilm, Wilma, откуда и пошла фамилия Wilmicz. В русской записи буква «z» превратилась в «ч», а ударение, скорее всего, падает на первый слог — Вильмич, хотя в сербском варианте возможен иной акцент.

Вторая версия, менее вероятная, связывает фамилию с литовским корнем «vil-» (волк) или «viltis» (надежда). Но против этой гипотезы говорит суффикс «-ич», который нехарактерен для литовской ономастики: литовцы обычно образовывали фамилии на «-ис», «-ас», «-ус». Поэтому славянская основа с немецким именем — самое прямое объяснение.

Географически Вильмичи встречаются в основном в западных регионах бывшей Российской империи: на территории современной Польши, Беларуси, а также среди потомков переселенцев в Сибири и на Урале. В дореволюционных метрических книгах фамилия могла писаться через «ц» — Вильмиц, что усиливает связь с польским произношением. Социально предки носителей фамилии — скорее всего, мещане или крестьяне, которые получили фамилию по отцу, носившему немецкое имя Вильма, что говорит о смешанном этническом происхождении семьи.