Фамилия Вилюгина — женская форма фамилии Вилюгин, и её происхождение напрямую связано с мужским прозвищем или именем, лежащим в основе. В русской ономастике фамилии на -ин традиционно образуются от основ, оканчивающихся на -а или -я, что указывает на принадлежность: «чей сын?» — Вилюгин, то есть сын Вилюги.

Самая вероятная версия связывает фамилию с диалектным словом «вилюга». В говорах, особенно северных и сибирских, вилюгой называли извилистую реку, излучину, а также вьюгу, метель с сильным ветром. Прозвище Вилюга могли дать человеку с извилистым, непрямым характером, либо тому, кто жил у крутого поворота реки, либо, в переносном смысле, — «вьюжному», быстрому и порывистому. Таким образом, фамилия Вилюгин — это отчество от прозвища Вилюга.

Менее распространённая, но возможная версия — связь с глаголом «вить» или «вилять». В этом случае прозвище Вилюга могло указывать на человека уклончивого, не прямого в словах или поступках. Однако слово «вилюга» в значении «извилина» или «вьюга» встречается в словарях русских народных говоров чаще, что делает первую гипотезу более надёжной.

Суффикс -ин в фамилии Вилюгина — один из древнейших в русской антропонимии, он указывает на принадлежность к роду конкретного человека. По модели образования фамилия близка к таким, как Ветлугин (от реки Ветлуги) или Берегин (от берега), что косвенно подтверждает её связь с географическим объектом или природным явлением.

Фамилия Вилюгина встречается преимущественно в центральных и северных областях России, что согласуется с ареалом бытования слова «вилюга». Встречаются варианты написания с одной «л» — Виюгина, но они редки и, скорее всего, являются результатом описки или упрощения произношения. Сословная принадлежность носителей фамилии неоднородна: среди Вилюгиных были и крестьяне, и мещане, и духовенство — фамилия не несёт узкой социальной окраски.