Фамилия Зильмухамедов — редкий пример, где тюркское и арабское наследие соединились в одной словообразовательной модели. В её основе лежит мужское личное имя Зильмухамед (варианты — Зильмухаммет, Зильмухаммат). Первая часть, «зиль», восходит к арабскому «зилл» (тень, покровительство), вторая — имя пророка Мухаммеда (достохвальный). Полное значение имени — «тень Мухаммеда», то есть находящийся под защитой пророка. Это теофорное имя, образованное по той же модели, что и Зильфикар (меч пророка) или Зильнур (сияние света).

Фамилия образована по русскому патронимическому суффиксу -ов, который в Поволжье и на Урале в XIX веке активно присоединяли к тюркским именам при переходе к обязательным фамилиям. Географически фамилия Зильмухамедов почти наверняка происходит из среды татар или башкир — именно у этих народов имя Зильмухамед встречается в метрических книгах Оренбургской, Уфимской и Казанской губерний. Других регионов бытования практически нет, что делает фамилию локальным маркером.

С точки зрения морфологии, фамилия стоит в ряду таких же двухкоренных татарских фамилий на -ов, как Зильмухаметов, Зильмухамматов или Зильмухаммедов. Разница в написании объясняется разной транслитерацией арабского имени в русской записи: через «е» или «а» во втором слоге, с одним или двумя «м». Вариант «Зильмухамедов» — самый частый в современных базах, хотя в дореволюционных документах встречается и «Зильмухаметов» (с тюркским оглушением конечного «д» до «т»).

Что касается социального статуса предков: носители фамилии в подавляющем большинстве были государственными крестьянами или тептярями (сословие, близкое к ясачным крестьянам, платившим оброк). Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано. Значит, первый Зильмухамедов — это сын некоего Зильмухамеда, который, скорее всего, жил в татарской или башкирской деревне, занимался земледелием или скотоводством, а фамилию получил при подворной переписи конца XIX века.