Фамилия Мелекаев образована от тюркского имени Мелекай, которое, в свою очередь, восходит к арабскому слову «малак» — ангел. В тюркской среде имя приобрело уменьшительно-ласкательную форму с аффиксом -кай, что дало значение «ангелочек» или «ангелоподобный». Так могли назвать долгожданного или кроткого ребёнка. Фамилия построена по русской модели на -ев (суффикс принадлежности), который присоединяется к основе, оканчивающейся на согласный или -й. Таким образом, Мелекаев буквально означает «сын Мелекая» или «потомок Мелекая».

Напрашивается параллель с более распространённой фамилией Малакеев, но здесь иная огласовка: Мелекаев тяготеет к диалектам, где гласный первого слога произносится как «е» (например, в казанско-татарском или башкирском). Встречается фамилия преимущественно в Поволжье — в Татарстане, Башкортостане, а также в Оренбургской и Самарской областях. Это указывает на мишарские или тептярские корни — предки могли быть служилыми татарами или крещёными татарами, получившими фамилию при переходе в православие.

Сословная принадлежность носителей фамилии не зафиксирована в общих источниках, но по типу образования (от имени, а не от прозвища) и по региону бытования можно предположить, что это были выходцы из крестьян или мещан. Редкая фамилия: в современной России её носит, по разным оценкам, не более нескольких сотен человек.