Фамилия Мельхиор стоит особняком среди русских фамилий: она не происходит от прозвища, не образована от профессии и не связана с крестильным именем в привычном понимании. Её основа — это личное имя, но не славянское и не греческое, а библейское, пришедшее через западноевропейскую традицию. Мельхиор — один из трёх волхвов (мудрецов), которые, согласно Евангелию, принесли дары младенцу Иисусу. В католической и протестантской среде это имя давали мальчикам, и в России оно встречалось прежде всего в семьях, где были сильны западные культурные связи: среди обрусевших немцев, поляков, выходцев из Прибалтики или из дворянских родов, ориентированных на Европу.

Словообразовательно фамилия проста: это транслитерация немецкого Melchior или французского Melchior. Русская письменная фиксация почти не меняет звучания, а суффикс, типичный для русских фамилий, отсутствует — Мельхиор остался в «чистом» виде, без добавления -ов или -ин. Это указывает на сравнительно позднее и, скорее всего, книжное закрепление: фамилия не прошла через народную переработку, как, например, Мельников или Мельничук. Если бы её давали крестьянину, её бы упростили или переосмыслили, но она сохранила «учёный» облик.

География фамилии узкая. По данным переписей XIX — начала XX века, носители Мельхиор концентрировались в Петербургской, Московской, а также в западных губерниях — Виленской, Ковенской, Волынской. Встречалась она и среди российских немцев Поволжья, но там чаще фиксировалась в форме Мельхиор с двойным ударением на второй слог. В крестьянской среде центральной России фамилия практически не встречалась: это маркер городского или дворянского происхождения, либо принадлежности к лютеранской или католической общине.

Спорных версий происхождения у фамилии почти нет — слишком прозрачна этимология. Единственная путаница может возникнуть с омонимичным названием сплава «мельхиор» (нем. Melchior, по имени изобретателя), но это технический термин XIX века, и фамилия старше: имя волхва известно с раннего Средневековья. Поэтому связывать фамилию с металлом — ошибка, хотя в редких случаях, когда фамилию давали по прозвищу мастера-литейщика, такое возможно, но документально не подтверждено.

Среди известных носителей — деятели культуры и науки немецкого происхождения, например, химик и металлург Карл Мельхиор (работал в России в XIX веке), но в целом фамилия остаётся малочисленной и нечастотной. Для её обладателя она — прямое указание на то, что предки были людьми книжными, городскими или связанными с западноевропейской традицией, а не с русским крестьянским укладом.