Willer vient du germanique Wiler (village, hameau), et le qualificatif « sur-Thur » indique la situation au bord de la rivière Thur dans les Vosges alsaciennes. Ce type de déterminant fluvial est courant dans les communes alsaciennes.
L’église Saint-Dizier de Willer-sur-Thur est le centre paroissial de cette commune de la vallée de la Thur. Saint Dizier (ou Desiderius), évêque de Langres martyr au VIe siècle, est un saint patron présent dans plusieurs paroisses de l’est de la France.