Фамилия Вильмякина — женская форма фамилии Вильмякин, и её происхождение стоит искать в прозвище или имени, которое почти наверняка связано с финно-угорским субстратом. В основе лежит корень «вильм-», который восходит к карельскому или финскому слову «vilma» — так в некоторых диалектах называли тишину, спокойствие или же прохладу. Есть и другая версия: «vilma» могло быть вариантом имени Вильма, уменьшительной формы от Вильгельмина (русская Вильма), но для фамилий русского Севера и Прионежья более характерна основа от нарицательного слова.

Модель образования типична для северных и приуральских регионов: суффикс -ин указывает на принадлежность («чей?»), то есть Вильмякин — сын или потомок человека по прозвищу Вильма (или Вильмяк). В русском языке суффикс -як нередко добавлялся к основам для обозначения человека по характерному признаку (ср. «сибиряк», «здоровяк»). Таким образом, Вильмяк — это «человек, связанный с вильмой»: либо спокойный, тихий, либо, наоборот, прозванный так за холодность нрава.

Географически фамилия тяготеет к Карелии, Архангельской области и Вологодчине — зонам активных русско-карельских контактов. В писцовых книгах XVI–XVII веков встречаются похожие прозвища (Вильма, Вильмо), но фамилия в современном написании фиксируется позже, в метрических книгах XIX века. Интересно, что ударение в фамилии чаще падает на второй слог (Вильмя́кина), что сохраняет финно-угорскую ритмику, а не на первый, как было бы в чисто русском слове.

Сословный состав носителей фамилии — в основном государственные крестьяне и мещане. Дворянских родов с такой фамилией не известно, что подтверждает её народное, «земляное» происхождение. В XX веке фамилия встречается редко, что делает её ценной для генеалогического поиска: каждый случай — это, скорее всего, ниточка к конкретной локальной группе, к деревне на границе русского и карельского миров.