Фамилия Вилохин — редкая и неочевидная по происхождению. В ней сразу бросается в глаза корень «вил-», который может вести в разные стороны, но суффикс «-ин» подсказывает, что перед нами типичная русская «патронимическая» или «посессивная» фамилия: она отвечает на вопрос «чей?» и образована от личного имени или прозвища отца.

Самая прямая версия — отчество от прозвища Вилоха. В русских говорах «вилоха» (или «вилуха») — это корова или другое животное с загнутыми, разведёнными в стороны рогами, напоминающими вилы. Прозвище могли дать человеку с кривыми ногами, широко расставленными зубами или просто упрямому, «рогатому» характеру. Менее вероятно, но допустимо, что основой стало слово «вилок» — кочан капусты (в южных говорах), но тогда форма была бы «Вилков» или «Вилочкин».

Существует и более прозаическое объяснение: фамилия могла возникнуть от неканонического имени Вил, которое в старину давали как охранительное (от слова «вилы» — орудие труда, чтобы ребёнок был работящим). В таком случае Вилохин — это «сын Вила» с уменьшительным суффиксом «-ох-» (как Плохин от Плохой, Глухов от Глухой). Эта модель образования типична для русских фамилий XVI–XVII веков, когда прозвища на «-оха» были распространены в крестьянской и посадской среде.

Ономастический словарь Б. Унбегауна не фиксирует фамилию Вилохин, что говорит о её локальном характере. Скорее всего, она бытовала в центральных или южнорусских губерниях. В документах XIX века встречаются единичные упоминания крестьян и мещан с такой фамилией в Воронежской и Тамбовской губерниях — там слово «вилоха» в значении «корова с раздвоенными рогами» было в ходу.

Спорная версия — связь с немецким или еврейским корнем (от имени Вильгельм или Вил) — маловероятна, так как суффикс «-ин» в фамилиях у славян почти всегда указывает на русскую основу, а не на заимствованную. Поиск носителей фамилии сегодня показывает концентрацию в Поволжье и на Урале, что может быть следствием переселений крестьян в XIX веке.