Фамилия Винтилёнок — редкий случай, когда родовое имя образовано не от имени, профессии или черты характера, а от названия мелкой детали механизма. Винтилёнок — это уменьшительно-ласкательная форма от слова «винтик» (маленький винт). Суффикс -ёнок (вариант -онок) в восточнославянских фамилиях обычно указывает на «младшего» или «детёныша»: так образовывали прозвища для молодых людей, подмастерьев или детей. В данном случае прямое значение — «маленький винтик», «винтёнок».

Словообразовательная модель здесь необычна. В русских фамилиях суффикс -ёнок встречается реже, чем -ов или -ин, и чаще закреплялся на Украине и в Беларуси (сравните: Козлёнок, Рыбёнок). Винтилёнок — явно более позднее образование, чем, скажем, Винтиков. Оно могло возникнуть в среде, где механизмы и их детали были частью повседневной речи: среди ремесленников, слесарей, механиков или на заводах. Прозвище Винтилёнок могли дать ученику слесаря, низкорослому человеку с юркими движениями или тому, кто вечно возился с мелкими деталями.

Версия о происхождении от имени Винтила (как, например, в фамилии Винтилов) маловероятна: суффикс -ёнок не типичен для отчеств от личных имён. Также не стоит путать с фамилией Винтилёнок и случайным написанием через «ё» — это именно белорусско-украинская модель, где -ёнок является нормой. Аналог — фамилия Шестерёнок (от «шестерня»), тоже деталь механизма.

Встречаемость фамилии крайне низкая. Основной ареал — запад России и восток Беларуси, где суффиксальная модель на -ёнок сохранилась лучше. В дореволюционных метрических книгах эта фамилия почти не фиксируется, что говорит о её позднем закреплении, вероятно, в XIX — начале XX века. Носителей Винтилёнок можно считать потомками людей, чьё прозвище возникло в рабочей или ремесленной среде, возможно, связанной с железной дорогой, механическими мастерскими или первыми заводами.