Фамилия Мелая — редкий случай в русской ономастике, где окончание -ая не указывает на принадлежность женщине, а является застывшей формой прилагательного в мужском роде. Такие фамилии типичны для южных регионов России, особенно для Кубани, Дона и Украины, где под влиянием местных говоров и украинского языка фамилии на -ый/-ой перешли в форму на -ий/-ая. Например, Мелая — это то же самое, что Мелый или Мелой. В центральной и северной России такую фамилию почти не встретишь.

Основа фамилии — прозвище Мела, Мело. В русских говорах слово «мелый» имело два основных значения. Первое — «мелкий, неглубокий» (о реке, озере), второе — «мелкий по положению, небогатый, простого звания». Прозвище Мелой могли дать человеку невысокого роста, незнатного происхождения или тому, кто жил у мелководья. В пользу второго значения говорит то, что фамилия Мелая распространена в степных и прибрежных районах, где географические прозвища были обычным делом.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с глаголом «мелить» (натирать мелом, белить) или с профессией мельника. Однако в таком случае фамилия скорее приняла бы форму Мельников или Мелов, а не Мелая. Суффикс -ая здесь — не профессиональный, а качественный, описывающий признак человека.

Фамилия не относится к дворянским или княжеским: её носителями были в основном крестьяне и казаки. Встречается в Краснодарском крае, Ростовской области и на востоке Украины. В документах XVII–XVIII веков не зафиксирована — скорее всего, оформилась поздно, в XIX веке, когда фамилии массово закреплялись за бывшими государственными крестьянами.

Единственный известный носитель — советский футболист 1930-х годов, но массовой известности фамилия не получила. Для генеалогического поиска стоит учитывать, что в старых метриках её могли записывать как Мелая, Мелая (с ударением на первый слог) или даже Мелай, если священник русифицировал окончание.