Фамилия Виляев образована от прозвища Виляй. Его основа — глагол «вилять», то есть «мотать из стороны в сторону», «колебаться в суждении, уклоняться от прямого ответа». Вполне вероятно, что это прозвище отражало особенности походки или черты характера предка — человека уклончивого, нерешительного или, наоборот, хитрого.

Есть и вторая версия: прозвище могло произойти не от глагола, а от слова «вилы». В диалектах «вилы» означали не только сельскохозяйственное орудие, но и ноги (нижнюю часть тела), а иногда даже рот или пасть. Если так, то прозвище Виляй могло указывать либо на род деятельности родоначальника (крестьянин, работавший вилами), либо на его внешность (например, долговязый человек с длинными ногами). Эта версия менее распространена, но имеет право на существование: в русских говорах «вилявый» — тот, кто ходит вразвалку, широко расставляя ноги, что сближает оба толкования.

Сама фамилия образована по простой и частотной модели: к основе прозвища Виляй добавили патронимический суффикс -ев, который указывал на принадлежность («чей?» — сын Виляя). Таким образом, Виляев — это «сын Виляя». Суффикс -ев, а не -ов, появился из-за мягкого согласного в конце основы (й), что типично для русских фамилий от прозвищ на -ай.

Фамилия редкая и не имеет массового распространения. Встречается в основном в центральных и южных регионах России, что косвенно подтверждает её связь с народными говорами. В дворянских родословных книгах Виляевы не значатся — фамилия, скорее всего, крестьянская или мещанская. По переписям XIX века носители фамилии записаны в Тамбовской, Рязанской и Пензенской губерниях.