Фамилия Меленцова — женская форма, мужская — Меленцов. В основе фамилии лежит прозвище или нецерковное имя Меленец. Слово «меленец» в русских говорах имело два основных значения: «тот, кто работает на мельнице» (мельник, помольщик) и «житель села Меленки» или выходец из местности с похожим названием.

Словообразовательная модель проста: к основе «Меленец» добавили патронимический суффикс -ов, характерный для большинства русских фамилий. Получилось «Меленцов» — буквально «сын Меленца». Суффикс -ец в исходном прозвище указывал на принадлежность к занятию или месту, что типично для древнерусской антропонимии. Менее вероятно, но возможно происхождение от имени Мелентий (греч. «заботящийся») через уменьшительную форму Меленя, однако в этом случае фамилия скорее имела бы форму Мелентьев.

Если предок был мельником, фамилия относится к группе «профессиональных» прозвищ, таких как Мельников, Мелников. Если же предок был родом из села Меленки — это географическая фамилия, указывающая на переселенца. Села с таким названием есть во Владимирской, Рязанской и других областях, что даёт широкую, но размытую географию фамилии.

Фамилия Меленцова встречается заметно реже, чем однокоренная Мельникова или Мелентьева, что делает её более локальной. В документах XVII–XVIII веков носители фамилии фиксируются в основном в центральных и северных губерниях России, особенно в Вологодской и Костромской. Это согласуется с версией о мельничном деле: на Русском Севере мельницы были распространены, а прозвища по занятию давали устойчиво.

Спорных версий немного: иногда фамилию пытаются связать с литовским «mėlynė» (черника) или белорусским «меленка» (мелкий), но эти гипотезы не подкреплены ни исторической документацией, ни типичными для русских фамилий словообразовательными моделями. Наиболее правдоподобно — профессиональное или топонимическое происхождение, причём первое вероятнее из-за суффикса -ец, активно использовавшегося для обозначения лиц по роду занятий.