Фамилия Вилюнова — женская форма фамилии Вилюнов, и её происхождение стоит искать в мужском прозвище или имени, которое легло в основу. В русской ономастике фамилии на -ов/-ев чаще всего образовывались от имён или прозвищ, оканчивающихся на согласный. Следовательно, ядро фамилии — основа «Вилюн».

Самая вероятная версия связывает «Вилюн» с диалектным глаголом «вилять» или «вилюнить». В говорах северных и центральных областей России «вилюном» могли назвать человека уклончивого, нерешительного, хитрого — того, кто «виляет», избегает прямого ответа. Реже слово имело конкретное значение: «вилюн» — это небольшой изгиб реки, излучина. В таком случае прозвище мог получить человек, живший на повороте реки или на мысу.

Менее распространённая, но допустимая гипотеза — от имени Вил или Виля, которое могло быть уменьшительной формой от канонического имени Виктор или Виталий. Суффикс -ун в русских прозвищах часто придавал оттенок действия или свойства (например, «говорун», «молчун»), поэтому «Вилюн» могло означать «тот, кто виляет» или «тот, кто похож на Вилю».

Фамилия встречается в основном в центральных и поволжских регионах России, что подтверждает её русское, а не иноязычное происхождение. Окончание -ова указывает на то, что носительница — женщина, и в документах фамилия могла меняться в зависимости от пола: мужчина — Вилюнов, женщина — Вилюнова.

Другие версии, например, связь с тюркским корнем или топонимом, выглядят натянутыми: для них нет достаточных исторических или языковых свидетельств. Таким образом, предок современных Вилюновых, скорее всего, получил прозвище за характер или место жительства, а сама фамилия сохранила память о народной наблюдательности.