Фамилия Мельчинская звучит как типичная «географическая» фамилия, образованная от названия населённого пункта. Модель с суффиксом -ск- указывает, что её первоначальный носитель был либо помещиком, владевшим селом Мельчино (или Мельчиха), либо выходцем из такого села — то есть «тот, кто из Мельчина». В дворянской среде такие фамилии часто закреплялись за детьми по месту службы или владения отца, а в крестьянской — появлялись, когда человек переезжал и получал прозвище по родной деревне.

Корень «мельч-» с большой вероятностью восходит к слову «мельчить» — делать мелким, крошить, или к прилагательному «мелкий». Это могло быть прозвище человека невысокого роста, щуплого телосложения, либо того, кто занимался дроблением зерна (мельник, но с уменьшительным оттенком). Второй вариант — топоним мог произойти от речки Мельча или оврага Мельчиха, названных за маловодность или мелкое русло. Есть и менее очевидная версия: основа «мел-» иногда связывалась с древнерусским «мелъ» (мел, известняк), но для фамилии это редкий случай.

Окончание -ая — характерная черта русских фамилий, прошедших через форму прилагательного (вопрос «какая?»). В современном обиходе фамилия склоняется как прилагательное: Мельчинская, Мельчинской, Мельчинскую. Встречается она преимущественно в центральных и южных регионах России, а также среди потомков переселенцев в Сибири и на Урале, где «географические» фамилии особенно распространены.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Мельчин, Мельчков, Мельчаков — показывает, что Мельчинская стоит особняком: она не от имени или прозвища, а именно от места. Если Мельчин мог быть сыном Мельчи (прозвище), то Мельчинский/Мельчинская — это уже «княжеский» или «дворянский» формат. В дореволюционных метрических книгах фамилия чаще встречается у мещан и купцов, реже у крестьян, что подтверждает её связь с владельческим или административным статусом села. Точных данных о конкретном селе Мельчино в открытых источниках мало, но одноимённые урочища есть в Тверской и Смоленской областях — возможно, именно оттуда пошла фамилия.