Фамилия Вильмисова — редкий случай, когда географическая привязка оказывается едва ли не важнее разбора корня. Если не считать единичных и случайных носителей в других регионах, основное гнездо фамилии — юг России, особенно Ростовская область и Ставрополье. Это сразу подсказывает, что перед нами не древняя московская или новгородская фамилия, а относительно позднее образование, скорее всего, из крестьянской или казачьей среды XIX века.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ов- образует притяжательную форму (чей? — Вильмисов), а окончание -а указывает на женский вариант фамилии. Мужская форма — Вильмисов. Основа — «Вильмис». В русском языке такого слова нет, и это главный ключ. Скорее всего, перед нами искажённое или адаптированное на русской почве личное имя. Самое вероятное — вариант имени Вильгельм, которое в народной речи могло превратиться в Вильма, Вильмуш, а затем и в Вильмис. Немецкое имя Вильгельм было широко распространено среди колонистов, которых в XVIII–XIX веках приглашали в Россию, в том числе на южные земли. Местное население переделывало его на свой лад, и результат мог закрепиться как прозвище, а затем и как фамилия.

Есть и другая, менее убедительная версия: основа от финно-угорского имени или прозвища. В карельском и вепсском языках встречаются имена с корнем «виль-» (сравните с Вильё, Вильхо), но для южнорусской фамилии это маловероятно. Немецкий след объясняет и географию: немецкие колонии были в Поволжье и на юге России, и оттуда фамилия могла распространиться.

Суффикс -ов- типичен для русских фамилий, образованных от полных форм прозвищ или имён. Если бы фамилия была образована от уменьшительной формы на -ич или -ище, мы бы увидели другой суффикс. Здесь же всё указывает на то, что некий человек по прозвищу Вильмис (или Вильма, Вильмиш) стал родоначальником этой линии. Фамилия недворянская, не от вотчины или поместья — это поздняя крестьянская или мещанская фамилия, что подтверждается её редкостью и отсутствием в старых боярских списках.

В современных справочниках фамилия Вильмисова не упоминается в словарях Б. Унбегауна или В. Никонова — она слишком редка для масштабных обобщений. Но именно эта редкость и делает её интересной: перед нами не стёртая до общих черт фамилия, а живое свидетельство культурного смешения, где немецкое имя обросло русским суффиксом и осело на южных землях.