Фамилия Вилюжанины — редкий пример того, как прозвище, данное по месту жительства, закрепилось в форме, указывающей на принадлежность к целому роду. В основе лежит название реки Вилюй, крупнейшего левого притока Лены, протекающего по территории Якутии и Красноярского края. Человека, который жил на её берегах или пришёл оттуда, могли называть Вилюжанином — по той же модели, по какой жителя Волги называли волжанином, а берегов Дона — дончанином.

Суффикс -анин (в родительном падеже -анина, отсюда и форма множественного числа Вилюжанины) в славянских фамилиях традиционно указывает на происхождение из определённой местности: он встречается в фамилиях типа Москвитин, Тверитин, Пермитин. В случае с Вилюжаниным этот суффикс прямо сообщает: предок носителя фамилии был выходцем с берегов Вилюя. Такая модель образования фамилий была особенно распространена в среде крестьян и служилых людей, которые осваивали новые земли и получали прозвища по рекам, городам и урочищам.

Сложно сказать, когда именно и где впервые зафиксировали эту фамилию. Процесс закрепления прозвищ в качестве наследственных имён шёл несколько столетий, и географически удалённые территории, такие как бассейн Вилюя, включались в него позже центральных областей России. Однако сам факт, что прозвище по далёкой сибирской реке сохранилось и превратилось в фамилию, говорит о том, что предки Вилюжаниных в какой-то момент оказались связаны с этим суровым краем — возможно, как промышленники, охотники или казаки, продвигавшиеся на восток.