Фамилия Меленсков образована от прозвища или имени Меленок — уменьшительной формы от Меленя. Само имя Меленя в старину было народным вариантом канонического имени Мелентий (от греческого «мелео» — «заботиться»). Такую модель — усечение основы и добавление суффикса -ок — часто использовали в быту: Мелентий превращался в Меленка, а его сын получал фамилию Меленсков.

Суффикс -ск- в фамилии Меленсков — редкий для русского простонародья. Обычно такие фамилии на -ский носили дворяне или духовенство, но в случае с Меленсковым всё проще: это не польский или шляхетский вариант, а диалектное окончание, характерное для южнорусских и украинских говоров. Там фамилии на -сков, -цков встречались у крестьян и казаков (сравните: Меленсков — «чей?» — «Меленсков», то есть «сын Меленка»). По сути, это тот же патронимический суффикс -ов, но с наращением -ск-, которое когда-то указывало на принадлежность к роду или местности.

Географически фамилия привязана к югу России: Курская, Воронежская, Ростовская области. Встречается и у донских казаков, что подтверждает её бытовое, а не аристократическое происхождение. Первые письменные фиксации — в документах XVII–XVIII веков, где упоминаются «Меленсковы» из однодворцев (государственных крестьян, нёсших пограничную службу).

Есть и вторая, менее вероятная версия: от названия села Меленково или Меленск. Но таких топонимов в России почти нет, а там, где они есть, фамилия обычно звучала бы как Меленков или Меленский. Так что корень — в личном имени Мелентий, а не в географии.

В современном написании фамилия сохранила старую орфографию: окончание -ов, а не -ев, хотя имя Мелентий даёт основу на мягкий согласный. Это лишний раз говорит о том, что в момент становления фамилии её носители говорили именно «Меленок», а не «Меленец».