Фамилия Вильминский принадлежит к распространённому в польской и западнорусской традиции типу фамилий на -ский/-цкий. Такие фамилии обычно указывали на географическое происхождение — владельческое или топонимическое название поместья, села или урочища. Основа Вильмин- восходит к названию населённого пункта вроде Вильмино, Вильмин или Вильма. Подобные топонимы встречаются на территории бывшей Речи Посполитой — в современной Польше, Беларуси, на западе Украины. Корень «вильм-» может быть связан с польским wilk (волк) через диалектные формы, либо с литовским vilkas (волк) — в зоне балто-славянского пограничья такие заимствования обычны. Менее вероятна связь с немецким Wilm (краткая форма от Wilhelm) — это дало бы фамилию скорее на -ов или -ин, а не на -ский.

Носители фамилии Вильминский — потомки шляхты или однодворцев, владевших землёй в тех краях. В Российской империи фамилия фиксируется в основном в западных губерниях: Могилёвской, Витебской, Гродненской. После разделов Польши часть дворянских родов с такой фамилией подтвердила своё происхождение и была внесена в родословные книги. Встречается вариант написания через «ы» — Вильминский, что отражает твёрдое произношение в польских говорах.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ский прибавили к основе топонима, обозначающего «место, где живут Вильмы» или «поселение Вильма». Первым носителем мог быть пан, владевший фольварком Вильмин, или его служилые люди, получившие фамилию по месту службы. В отличие от крестьянских фамилий на -ов, эта форма долго оставалась маркером привилегированного сословия, хотя к XIX веку многие обедневшие шляхтичи слились с крестьянством.

Сравнение с однокоренными фамилиями: Вильмовский, Вильман, Вилькин. Первая — того же типа, вторая — немецкая по происхождению, третья — русская патронимическая. Вильминский стоит особняком: редкий суффикс -инский внутри польской модели на -ский указывает на конкретный, возможно, исчезнувший топоним, а не на родовое прозвище.