Фамилия Мельчугов — яркий пример того, как прозвище, данное человеку по его занятию или характеру, закрепилось в родовом имени. Основа здесь — «мельчуга», слово, которое в русских говорах имело два значения. Первое — «мельница, мельничка», то есть что-то маленькое, связанное с помолом. Второе, более вероятное для прозвища, — «мельчуга» как синоним слова «мелюзга»: так называли мелкого, невзрачного человека или же того, кто занимался мелкими, несерьёзными делами. В основе лежит корень «мелк-», а суффикс «-уг-» придаёт слову уменьшительно-пренебрежительный оттенок, как в словах «малюга», «корчуга».

Модель образования фамилии проста и типична для русского севера и северо-востока: прозвище Мельчуга + патронимический суффикс «-ов», который буквально означает «сын Мельчуги». Такая форма характерна для территорий, где активно бытовали прозвища на «-уга» (сравните фамилии Мальчугов, Худяков, от прозвища Худяк, или Коршунов, от Коршун). Географически фамилия Мельчугов встречается редко, и её очаги приходятся на Вологодскую, Архангельскую и Кировскую области — регионы, где сохранилась архаичная лексика и где слово «мельчуга» могло быть в обиходе.

Менее вероятная, но допустимая версия связывает фамилию с тюркским корнем «мельч» (мягкий, нежный) или с диалектным «мельчать» (становиться мелким, измельчать). Однако отсутствие прямых тюркских параллелей и прозрачная славянская морфология делают эту гипотезу надуманной. Если предок получил прозвище Мельчуга, то, скорее всего, он был либо мелким ремесленником (владельцем маленькой мельницы), либо человеком невысокого роста или незначительного положения в общине. В любом случае, фамилия сохранила память о живом народном слове, которое сегодня почти исчезло из языка.