Фамилия Вильямова — редкий пример, когда русская фамилия по форме, но нерусская по корню. Она образована по стандартной модели с суффиксом -ов- и окончанием -а, то есть это женская форма, а мужская — Вильямов. Основа — имя Вильям, которое является английской или немецкой формой библейского имени Вильгельм (в русской традиции — Василий, Уильям). В России такие фамилии обычно появлялись у обрусевших иностранцев или их потомков, чаще всего — у немцев, голландцев или англичан, переселившихся в страну в XVIII–XIX веках.

Вероятнее всего, предок носителя фамилии был выходцем из Западной Европы, которого в России стали называть по имени — Вильям, а затем его детей и внуков записали как Вильямовы. Это типичная история для «иностранческих» фамилий: русская администрация приписывала к имени отца фамильный суффикс, даже если сам предок такой фамилии не имел. В отличие от фамилий на -ин (от славянских имен на -а/-я), здесь использован суффикс -ов, что говорит о том, что имя Вильям воспринималось как основа на согласный.

Географически фамилия Вильямова встречается редко, но её следы можно найти в документах по Санкт-Петербургской губернии и Поволжью, где исторически были колонии немецких переселенцев. Вторая версия, менее вероятная, — что фамилия могла возникнуть от прозвища Вильям, данного человеку за сходство с иностранцем (например, за манеру одеваться или говорить), но в таком случае она осталась бы единичной.

С точки зрения словообразования, фамилия необычна тем, что основа — западноевропейское имя, а суффикс — чисто русский. Это делает её маркером культурного контакта: она не «дворянская» и не «крестьянская» в классическом смысле, а скорее принадлежит слою городских или колонистских фамилий, которые появились в результате миграции. Если сравнивать с однокоренными — Вильямсон, Вильямс, — то русская версия отличается именно добавлением -ов, тогда как в английском языке фамилии часто остаются без суффикса.