Фамилия Мельчаев — редкий случай, когда в основе лежит не имя, не профессия, а, скорее всего, прозвище, связанное с внешностью или характером. Её ядро — слово «мельчава» или «мельчавый», которое в некоторых русских говорах означало «мелкий, невысокий ростом», «щепетильный, мелочный» или даже «неказистый». То есть прозвище Мельчай (или Мельчав) могли дать человеку небольшого роста, либо тому, кто был излишне придирчив к деталям.

Типичный суффикс -ев указывает на патронимическую модель: Мельчаев — это «сын Мельчая». В отличие от фамилий на -ов, которые чаще образовывались от основ на твёрдый согласный, -ев присоединялся к основам на мягкий или шипящий, что здесь и происходит. Примечательно, что фамилия не получила широкого распространения и осталась довольно локальной, что говорит о её позднем закреплении и, возможно, о происхождении из среды крестьян или однодворцев центральной России.

Менее вероятны, но возможны версии, связывающие фамилию с диалектным «мельчить» — дробить, крошить (например, каменщик, мельник, работающий с мелким помолом). Однако профессиональные прозвища чаще давали по орудию труда или готовому продукту, а не по действию. Поэтому «мелкий» человек как прозвище — объяснение и более простое, и логичное с точки зрения народной ономастики.

В документах фамилия встречается с XVIII века, преимущественно в Пензенской и Тамбовской губерниях. Это подтверждает версию о её происхождении в чернозёмной полосе, где диалект «мельчава» был в ходу. Среди носителей нет широко известных исторических деятелей, что типично для фамилии, возникшей в среде крестьянства и не получившей дворянского статуса.