Фамилия Вилюк типична для западных регионов — Украины, Беларуси и юга России. Её выдает суффикс -ук/-юк, который в этих землях служил уменьшительным и одновременно патронимическим показателем: так обозначали сына, ученика или младшего родственника человека, чье имя или прозвище стало основой. В данном случае основа — Вил.

Самый прямой путь к значению — украинское слово «вил» (вол). Прозвище Вил могли дать человеку медлительному, упрямому или, наоборот, обладающему большой физической силой и выносливостью, как у рабочего вола. В крестьянской среде, где вол был главной тягловой силой, такое прозвище нередко было уважительным, указывало на трудолюбие и надежность. Сын такого человека становился Вилюком.

Версия с русским словом «вилы» менее вероятна, хотя полностью исключать ее нельзя. Прозвище Вилы (или Вила) могли дать высокому, долговязому человеку с длинными ногами. Но слово «вилы» в украинском языке звучит как «вила» (женский род), и производная форма «Вилюк» от него грамматически сложнее. Правдоподобнее всё же связь с волом.

С точки зрения словообразования фамилия Вилюк стоит в одном ряду с десятками других: Гнатюк (от Гнат), Ваctorюк (от Василь), Костюк (от Кость). Суффикс -юк указывает на то, что фамилия оформилась не в великорусских землях, а в зоне влияния украинской антропонимической модели, где фамилии на -ук/-юк — одни из самых распространенных. Встречаются также варианты написания Вилюк, Виллюк — двойное «л» выдает попытку приспособить фамилию к русской или польской орфографии, но корень остается тем же.

В словарях украинских фамилий (например, в работах Ю. Редько) фамилия Вилюк фиксируется как производная от прозвища Вил. Географически она чаще всего встречается в Волынской, Ровенской и Житомирской областях, а также в соседних районах Беларуси. Носители фамилии, скорее всего, потомки крестьян или казаков, у которых прозвище закрепилось официально в XIX веке при массовом закреплении фамилий.