Фамилия Вильмов — наглядный пример того, как славянская модель фамилии накладывается на иноязычную основу. В её основе лежит краткая форма имени Вильм, которая в свою очередь восходит к немецкому Wilhelm (Вильгельм). Это имя состоит из двух древнегерманских корней: wil («желание», «воля») и helm («шлем», «защита»). В русском языке его часто толкуют как «храбрый защитник» или «тот, кто желает защищать».

Имя Вильгельм было широко распространено в германской знати. Среди его известных носителей — Вильгельм I Завоеватель, герцог Нормандии и король Англии, живший в XI веке; Вильгельм I, король Пруссии и император Германии (1797–1888); а также Вильгельм X Святой, герцог Аквитании (1099–1137). Однако в русской среде имя Вильм или Вильгельм встречалось не столько как княжеское, сколько как бытовое, занесённое переселенцами или через культурные контакты.

Ключевая деталь, отличающая эту фамилию от чисто немецких, — суффикс -ов. Он указывает на славянское влияние и типичную модель образования: основа (Вильм) + притяжательный суффикс (-ов). Такая конструкция буквально означает «чей?» — «принадлежащий Вильму», то есть потомок или человек из семьи человека по имени Вильм. Это ставит фамилию Вильмов в один ряд с такими «полунемецкими» фамилиями, как Карпов, Шмидтов, Фёлькеров, где иноземное имя или прозвище оформилось по русскому образцу.

Вероятнее всего, предок носителя фамилии Вильмов был немцем по происхождению (или носил немецкое имя), но жил в славянской среде — на территории Российской империи, где и получил фамилию с русским окончанием. Географически такие фамилии чаще встречаются на западе и юге России, в Поволжье (где существовали немецкие колонии) или в среде остзейских немцев.