Фамилия Вильцевы — редкий случай, когда в основе русской фамилии, скорее всего, лежит не славянское прозвище, а западноевропейский топоним. Вероятнее всего, прозвище Вильц получил человек, имевший отношение к городу Вильц — самому большому городу округа Эслинг в Люксембурге. Этот живописный, хотя и несколько хаотично застроенный городок с оврагами и кустарниками мог быть родиной основателя рода или местом, где он долго прожил.

Фамилия образована по самой массовой русской модели: к основе Вильц прибавили типичный фамильный суффикс -ев. Этот суффикс указывал на принадлежность: «чей?» — сын Вильца, потомок Вильца. В русской ономастике так оформляли фамилии от любых основ, в том числе иноязычных, адаптируя их к местной грамматике.

Встречается и вариант написания Вильцов — с суффиксом -ов, но обе формы восходят к одному корню. Стоит упомянуть, что существует и чисто русская версия происхождения: от слова «вильца» (уменьшительное от «вилы») или от прозвища Вилец, однако связь с конкретным люксембургским городом выглядит более конкретной и правдоподобной, если в семейных преданиях есть указания на западные корни.

Фамилия Вильцев — нечастая, и её носители, вероятно, происходят из одного или нескольких разветвлённых родов. Точное время её возникновения установить сложно: процесс закрепления фамилий у разных сословий растянулся на столетия. Если предок-основатель действительно был выходцем из Люксембурга, фамилия могла появиться не раньше XVI–XVII веков, когда контакты Русского государства с Западной Европой стали регулярными.