Фамилия Мелеченкова — женская форма, а её мужской вариант — Мелеченков. В основе лежит прозвище или нецерковное имя Мелеченок, которое, в свою очередь, образовано от слова «мельник». Связь очевидна: «мелеченок» — это уменьшительная форма от «мелец» (тот, кто мелет зерно), то есть сын или помощник мельника. Так могли назвать подростка, работавшего на мельнице, или младшего члена семьи, чей отец был мельником.

С точки зрения словообразования фамилия стоит в ряду типичных русских фамилий на -ов/-ев, но с редким промежуточным суффиксом -енок-. Обычно такие формы (-ёнок, -онок) характерны для белорусской и украинской традиции, где они указывали на молодое существо или потомка (ср. «козлёнок», «рыжонок»). В русской ономастике фамилии на -енков встречаются, но реже, чем на -ов или -ин. Это позволяет предположить, что корни фамилии Мелеченков — в южнорусских или пограничных с Беларусью областях, где форма «мелеченок» была в ходу.

Другая, менее вероятная версия связывает фамилию с диалектным словом «мелеча» — мелкая рыба или мелочь. В этом случае прозвище Мелеченок могло относиться к человеку невысокого роста или занимавшемуся ловлей мелкой рыбы. Однако связь с мельницей (мелево, молоть) более прозрачна и встречается в русских говорах чаще.

Фамилия недворянская, крестьянская или мещанская. Носители Мелеченковы, скорее всего, были людьми, обслуживавшими мельничное хозяйство, либо самими мельниками. В документах XIX века такая фамилия могла фиксироваться с вариациями: Мелеченков, Мелечёнков, Мелеченко — в зависимости от местного произношения и грамотности писаря.