Фамилия Вильмовы образована от имени Вильм, которое выступает краткой формой немецкого имени Wilhelm (Вильгельм). Разбираем имя на составляющие: древневерхненемецкое wil — «желание, воля» и helm — «шлем, защита». В сумме получаем значение «храбрый защитник» или «тот, кто желает защищать». Имя Вильгельм было широко распространено среди германской знати: его носили и король Англии Вильгельм Завоеватель, и германский император Вильгельм I, и герцог Аквитании Вильгельм Святой.

Ключевая особенность этой фамилии — суффикс -ов, который прямо указывает на славянское влияние. В русской ономастике суффикс -ов/-ев традиционно оформлял притяжательные прилагательные, отвечая на вопрос «чей?». То есть Вильмов изначально означало «чей-то сын или потомок Вильма». Такая модель могла возникнуть в среде, где немецкое имя попало в славянское окружение — например, среди обрусевших немцев, приглашённых в Россию при Петре I и Екатерине II, или в западнорусских землях, где столетиями жили переселенцы из Германии.

Встречаются и варианты написания — Вильмов, реже Вильмова (по женской линии). Географически фамилия чаще всего привязана к регионам бывших немецких колоний: Поволжье, Причерноморье, Санкт-Петербургская губерния, а также к Прибалтике и Волыни. В дореволюционных метрических книгах можно найти Вильмовых среди мещан и крестьян-колонистов, реже — среди купцов и духовенства.

Безусловно, фамилия Вильмов представляет собой памятник немецкой культуры, но её окончательная форма сложилась уже на русской почве. Процесс формирования каждой отдельной фамилии мог быть длительным и не всегда имел привязку только к одной местности, поэтому точно определить время и место происхождения фамилии Вильмовы можно лишь на основании серьёзных генеалогических изысканий и архивных документов конкретной семьи.