Фамилия Вилюжева — это женская форма, а её носительницы по мужской линии происходят от родоначальника, которого в быту называли Вилюж. В основе этого прозвища лежит глагол «вилюжить» — слово живое, образное, означающее «петлять, двигаться зигзагом, лавировать». В словаре Владимира Даля зафиксировано и родственное «вилюга»: так называли поворот, излучину, изгиб дороги или реки.

Скорее всего, прозвище Вилюж получил человек, живший у крутого речного поворота или на перекрёстке извилистых троп. Но у слова «вилюга» было и переносное значение — «увёртка, хитрость, изворот». Поэтому не исключён и второй вариант: прозвище могло характеризовать характер — лукавый, уклончивый, себе на уме. В русской традиции такие «характерные» прозвища нередко вытесняли крестильное имя и закреплялись за родом.

Фамилия образована по стандартной модели: к основе Вилюж- добавлен суффикс -ев-, указывающий на принадлежность («чей?» — сын Вилюжа). Это типичный пример русской фамилии, сложившейся в XVI–XVII веках, когда прозвища окончательно превращались в наследственные именования. Географически фамилия тяготеет к северным и волжским говорам, где слово «вилюга» было особенно употребительно, но точных данных о сословной принадлежности первых Вилюжевых не сохранилось — это могли быть как крестьяне, так и посадские люди.