Фамилия Вильцева — женская форма фамилии Вильцев, и её происхождение стоит рассматривать через мужской вариант. Основа фамилии — прозвище или неканоническое имя Вилец. В русских говорах слово «вилец» имело несколько значений, и ключевое из них — «шалун, проказник», а также «озорник, повеса». Человек с таким прозвищем, скорее всего, отличался живым, непоседливым нравом, любил шутки и розыгрыши. Менее вероятно, но возможно, что прозвище давали человеку, который «вилял» — уклонялся от прямого ответа или работы, был изворотливым.

Фамилия образована по типичной восточнославянской модели: к основе Вилец добавили притяжательный суффикс -ев, что означает «сын Вильца» или «из семьи Вильца». Форма Вильцева (с мягким знаком) — результат фонетического смягчения согласного перед суффиксом, что характерно для говоров, где «ц» произносится мягко. Встречается и вариант Вильцова — с твёрдым окончанием, но Вильцева более распространена.

Интересная деталь: фамилия Вильцев/Вильцева не слишком частая, и её география указывает на северо-западные и центральные области России — Новгородскую, Псковскую, Тверскую, а также Вологодскую. В этих краях слово «вилец» в значении «озорник» фиксируется диалектными словарями. В других регионах, особенно южных, фамилия почти не встречается. Это позволяет предположить, что предки носителей фамилии были крестьянами или посадскими людьми из Новгородской земли или соседних территорий, где прозвища на -ец были особенно популярны.

С точки зрения словообразования, суффикс -ец в основе указывает на то, что прозвище было образовано от глагольного корня (вилять) или от существительного (вила, вилы — вряд ли, так как значение не подходит). Версия с «вилами» маловероятна: в русской ономастике прозвища по орудиям труда давались редко и обычно с другим суффиксом (например, Вилов). Поэтому основной остаётся связь с характером человека — «озорник».

В дореволюционных источниках фамилия Вильцев (и Вильцева) не фиксируется среди дворянских родов — это крестьянская или мещанская фамилия, что подтверждается отсутствием в «Общем гербовнике». Носители фамилии, вероятно, были свободными или государственными крестьянами, а не крепостными, так как прозвищные фамилии на -ец чаще закреплялись за людьми, имевшими относительную свободу передвижения и хозяйствования.