Фамилия Вильнова образована от именования Вильне, которое, скорее всего, восходит к названию города в Прибалтике — Вильна. Согласно летописям, этот город существовал уже в XII веке. Таким образом, Вильновым могли прозвать выходца из города Вильна. Словообразовательная модель проста: к основе географического названия добавили суффикс -ов, который в русских фамилиях указывает на принадлежность («чей?»). Изначально прозвище Вильнёв (или Вильнев) означало «человек из Вильны», а его потомки получили фамилию Вильновы.

Встречается и другой вариант происхождения — от нецерковного имени или прозвища Вильня. В русских говорах «вильнуть» означало «уклониться, свернуть в сторону», поэтому Вильней могли назвать человека уклончивого или непостоянного. Однако эта версия менее правдоподобна: фамилия Вильнова чаще встречается в регионах, исторически связанных с Великим княжеством Литовским, где топоним Вильна был хорошо знаком. Форма с суффиксом -ов типична для русского дворянства и крестьянства, получивших фамилии по месту жительства. В польской и белорусской традиции та же основа дала фамилии Вильневский, Виленский.