Фамилия Вильтюхляй — редкая и нестандартная для русского уха. Её главная загадка в том, что она не вписывается в привычные модели русских фамилий на -ов, -ев, -ин. Суффикс -яй сразу выдает в ней прозвищное происхождение, причём скорее всего невеликорусское.

Разбор показывает, что в основе лежит глагол «вильтюхать» или «вильтюжить». В южнорусских и украинских говорах это слово означало «вилять», «увёртываться», «хитрить», а также «медлить», «нерешительно делать дело». Человек, получивший прозвище Вильтюхляй, — тот, кто постоянно уходит от прямого ответа, изворачивается или, наоборот, делает всё неспешно, с ленцой. Формант -яй (как в фамилиях Непейвода, Гуляй, Держиморда) характерен для прозвищ, описывающих поведение или привычку, и часто закреплялся за человеком в насмешку.

Географически фамилия тяготеет к юго-западу России и Украине. Встречается она в основном в Курской, Белгородской областях и на Слобожанщине — там, где пересекались русские и украинские говоры. В документах XIX века носители Вильтюхляй — преимущественно государственные крестьяне и однодворцы, то есть люди, не знавшие крепостной зависимости и сохранившие старые прозвища в качестве фамилий.

Интересно, что фамилия почти не меняла форму: Вильтюхляй — это и есть исходное прозвище в именительном падеже, без добавления суффикса принадлежности. Такие фамилии-«застывшие прозвища» встречаются редко и указывают на то, что прозвище было настолько ёмким, что его не стали переделывать в притяжательную форму. Аналог — фамилии типа Толстопят, Убейволк, Жуйборщ.

Других версий, кроме прозвищной, нет. Связывать фамилию с литовскими или балтскими корнями (ср. лит. vyti — «гнать») можно только натяжкой: словообразовательная модель -яй для балтизмов нетипична, и в русских говорах слово имеет чёткую семантику, не совпадающую с балтскими корнями.