Фамилия Вилюжанина — женская форма от Вилюжанин, и её редкость связана не только с малым числом носителей, но и с неочевидной основой. В отличие от типичных русских фамилий на -ов/-ев или -ин, здесь мы видим суффикс -анин, который чаще встречается в именованиях жителей местности: рижанин, волжанин, пермяк. Однако «Вилюжа» — не название города или реки, а скорее искажённое или диалектное прозвище.

Самая вероятная версия: основа восходит к диалектному глаголу «вилюжать» — вилять, петлять, идти не прямо, а также хитрить, уклоняться от прямого ответа. В северных и сибирских говорах так могли назвать извилистую дорогу, речку или человека с уклончивым, нерешительным характером. Прозвище Вилюжа или Вилюж закреплялось за тем, кто «вилял» в прямом или переносном смысле, а затем через патронимический суффикс -анин (по модели «сын Вилюжи») дало фамилию. В таком случае Вилюжанин — буквально «потомок того, кого прозвали Вилюжей», то есть виляющего, изворотливого.

Менее распространённая гипотеза связывает фамилию с гидронимом: существует река Вилюй в Якутии, но её название происходит из тюркских или тунгусских языков, и суффикс -жа здесь нехарактерен. Скорее всего, это случайное созвучие.

Географически фамилия Вилюжанин встречается в единичных записях по Уралу и Западной Сибири — регионах, где диалектная лексика сохраняла архаичные формы. Возможно, предки носителей фамилии были крестьянами или казаками, получившими прозвище за манеру поведения, а не за ремесло. Суффикс -анин указывает на более архаичный способ образования фамилий, чем массовые -ов и -ин, что подтверждает давнюю историю прозвища.

В написании Вилюжанина с буквой «и» в первом слоге (а не «е») — следствие акающего произношения, где безударный звук передаётся на письме не всегда последовательно. В старых документах могли фиксировать и Вилюжанин, и Велюжанин, но первый вариант закрепился как основной.