Del latín, "vallis" fue adoptado por el árabe en la península como "fal". De ahí "Faliía" o habitante del valle y evolucionó a Velilla, del mismo modo que Azaraía (agricultor en árabe) evolucionó a García. No todos los apellidos tienen origen en nobles castellanos. Antes del sígo XIII no existían los apellidos tal y como los conocemos y eran más bien motes. Un Fernández podía ser hijo de Fernando o esclavo de Fernando. O simplemente, le gustó y se lo puso.

Soy de Alcañiz, (Teruel) yo llevo el apellido por mi madre, que lo heredó, obviamente (obviamente entonces) de su padre Mariano Velilla, que era natural de Torrevelilla (Teruel) en muchos libros a este pueblo pequeño (menos de 400 habitantes) en muchos lugares lo citan como La Torre de Los Velilla (en wikipedia, por ejemplo). Nada más sé. En Alcañiz, no es que sea especialmente omnipresente, pero no es raro el apellido Velilla.

Seguramente me equivoque, pero siempre entendí que su procedencia era de "villilla" o "villa pequeña", me parece ver aquí un fenómeno fonético de disimilación en el que la doble consonante "ll" de la segunda sílaba se pierde dando paso a "l" y donde la "i" se abre dando paso a "e"... me encantaría que algún especialista en etimologías lo aclarase...