Фамилия Вителюева — редкий пример, где фамильный суффикс не указывает напрямую на пол носителя. Перед нами женская форма фамилии Вителюев. Сама мужская фамилия образована по стандартной восточнославянской модели с суффиксом -ев, который присоединяется к основе, оканчивающейся на мягкий согласный или [й]. В данном случае основа — Вителюй.

Самый очевидный путь — прозвище или некалендарное имя Вителюй. В русских говорах «вить» — основа для множества слов, связанных с плетением, кручением, извилистостью. «Витель» или «витень» — это и веревка, и плеть, и нечто витое. Человек по прозвищу Вителюй мог быть либо мастером плетения (корзинщиком, веревочником), либо получить имя за внешность или характер — например, за извилистую походку, витиеватую речь или неуступчивый, «крученый» нрав.

Менее вероятная, но не исключенная версия — связь с диалектным словом «витель» в значении «стебель вьющегося растения» (хмель, горох). Тогда прозвище могло закрепиться за земледельцем, занимавшимся такими культурами, или за человеком, который, как вьюнок, «обвивался» вокруг кого-то в переносном смысле.

Фамилия Вителюев почти не встречается в центральных областях России. Её география тяготеет к северо-западу и северу — Вологодская, Архангельская области, а также Поволжье (бывшая Нижегородская губерния). В этих регионах диалектная лексика с корнем «вит-» сохранилась лучше, чем в литературном языке. Фамилия могла возникнуть независимо в нескольких локальных гнездах, что характерно для редких прозвищных фамилий. Сословная принадлежность предков, скорее всего, крестьянская или посадская: дворянские роды с такой фамилией в исторических документах не прослеживаются.