Фамилия Вилюжанин — один из тех случаев, когда географический объект прямо указывает на место, откуда родом её носитель. В основе лежит название реки Вилюй, крупнейшего левого притока Лены, протекающего по Якутии и Красноярскому краю. Человека, жившего на её берегах или переселившегося оттуда, в русской традиции называли «вилюжанин» — так же, как жителя Волги называли волжанином, а берега Оки — окиянином.

Модель образования фамилии нестандартна. Суффикс -анин (в форме -жанин) типичен для обозначения жителей по названию местности: «Вилюй» → «вилюжанин». Такие фамилии встречаются реже, чем патронимические на -ов или -ин, и обычно указывают не на отца, а на место жительства или происхождения предка. Сравните: Пермяков (от Пермь), но Пермяков — через суффикс -як, а Вилюжанин — через -анин, что роднит её с фамилиями вроде Арзамасцев или Муромцев.

География фамилии подтверждает эту версию. Основная масса Вилюжаниных исторически сосредоточена в Сибири — Иркутской области, Красноярском крае, Якутии. Это не случайно: именно там протекает Вилюй, и именно туда в XVII–XVIII веках переселялись русские служилые люди, промышленники и крестьяне, осваивавшие бассейн Лены. Фамилия могла закрепиться за первопроходцами, осевшими на новых землях, или за их потомками, которых в переписях записывали по месту жительства.

В написании фамилии иногда встречается вариант «Вилюжанинов» — с дополнительным суффиксом -ов, что делает её более привычной по модели «отчество + фамилия». Однако форма без -ов (Вилюжанин) архаичнее и точнее отражает исходное прозвище: она буквально означает «житель с Вилюя». В документах XIX века можно встретить обе формы, но современная орфография закрепила более короткий вариант.

Спорных версий у фамилии немного. Основная гипотеза — топонимическая — настолько прозрачна, что альтернативные объяснения (например, от тюркского корня со значением «изгиб» или «кривизна», что тоже могло бы относиться к реке) избыточны: гидроним Вилюй сам по себе древний, возможно, юкагирского или эвенкийского происхождения, но для носителя фамилии важнее то, что она стала маркером сибирского корня.