Фамилия Меличаева — женская форма, но её основа, мужская фамилия Меличаев, образована по одной из самых распространённых в России моделей: от личного имени или прозвища с помощью суффикса -ев. Этот суффикс присоединялся к основам на мягкий согласный или на -й, реже — к именам, оканчивающимся на -ец. В данном случае суффикс -ев указывает на принадлежность: «сын Меличая» или «из рода Меличая».

Корень «Мелич-» — самый интересный и спорный. Наиболее правдоподобная версия возводит его к тюркскому или иранскому имени Мелик (Малик), что значит «царь», «владыка» или «хозяин». В тюркских языках, особенно в среде кумыков, ногайцев, татар или народов Кавказа, имя Мелик (Мелек) было распространено, а его русифицированная форма с уменьшительным суффиксом -ич могла дать Мелич. Другая, менее вероятная версия, связывает фамилию с греческим именем Мелетий (от греч. «заботливый»), которое в народной речи могло сократиться до Мелич. Однако тюркская этимология выглядит убедительнее, учитывая, что фамилия Меличаев встречается преимущественно в регионах с сильным тюркским влиянием — в Дагестане, Чечне, на Ставрополье, а также среди казахов и азербайджанцев.

По суффиксу -ев фамилия вписывается в общерусскую модель, но её основа выдает нерусские корни. Предки носителей фамилии, скорее всего, были тюркоязычными или ираноязычными выходцами, которые приняли русскую фамилию по отцу при переходе в православие или в ходе административного учёта в XIX веке. Встречается и вариант написания через «а» в первом слоге — Маличаева, что прямо указывает на связь с именем Малик.

Примечательно, что фамилия не имеет широкого распространения в центральной России. Она локализована в южных и кавказских регионах, что подтверждает её происхождение от местных имён, а не от русского прозвища. Если искать родственную фамилию по корню, то ближе всего стоит Меликов, образованная от того же Мелика, но с другим суффиксом.