Фамилия Вильмова — пример того, как немецкое имя, пройдя через русскую языковую среду, обрастает типичным славянским суффиксом. В её основе лежит краткая форма имени Вильм, которая произошла от полного немецкого имени Вильгельм (Wilhelm). Древнегерманские корни этого имени — wiljô («воля», «желание») и helmaz («шлем», «защита»), так что имя означало «храбрый защитник» или «тот, кто носит шлем воли». Имя Вильгельм было чрезвычайно популярно в германских землях: его носили Вильгельм I Завоеватель, герцог Нормандии и король Англии, Вильгельм I — первый император объединённой Германии, а также Вильгельм X Святой, герцог Аквитании.

Словообразовательная модель здесь проста: к основе Вильм прибавили суффикс -ов- (в женском роде — -ова), который в русских фамилиях указывает на принадлежность. Фамилии на -ов типичны для центральных и северных регионов России. В случае Вильмовой суффикс сыграл роль «русификатора»: он перевёл немецкое имя в привычную для русского уха форму, означающую «дочь или жена человека по имени Вильм».

В России фамилия Вильмова встречается нечасто, но её носители — потомки, скорее всего, обрусевших немцев, приехавших в страну в XVIII–XIX веках. Это могли быть ремесленники, офицеры, учёные или купцы, приглашённые в Россию при Петре I и Екатерине II. В отличие от фамилий, образованных от прозвищ или профессий, Вильмова напрямую отсылает к личному имени предка — то есть её родоначальника звали Вильмом, и это имя сохранилось в фамилии без изменений.