Фамилия Мельнев — редкий случай, когда суффикс -ев присоединился не к очевидной основе «мельн-» (от слова «мельник»), а к форме, которая уже прошла через народную переделку. Если бы фамилия была образована напрямую от «мельник» или «мельничный», мы бы имели Мельников или Мельничный. Здесь же основа «Мельн-» — это усечённый вариант прозвища, которое звучало как Мельня или Мельна. Так в северных и центральных говорах могли называть человека, работавшего на мельнице, но не обязательно хозяина: подручного, весовщика, того, кто «мелет», то есть болтает без умолку. В диалектах слово «мельня» фиксировалось как синоним суеты и пустой говорильни, так что прозвище могло прицепиться к болтуну.

Суффикс -ев указывает на типичную русскую патронимическую модель: «чей?» — Мельнев, то есть сын Мельни. Это отличает фамилию от более распространённой Мельников, где суффикс -ов присоединялся к корню «мельник» целиком. Мельнев — более архаичная и локальная форма, характерная для территорий, где имя или прозвище на -я было в ходу (сравните: Кузня — Кузнев, а не Кузнецов). В документах XVII–XVIII веков встречаются крестьяне и посадские люди с прозвищем Мельня, особенно в Вологодской и Архангельской губерниях, где мельничный промысел был распространён, но фамилии ещё не устоялись.

Вторая, менее вероятная версия связывает фамилию с топонимом: в России есть несколько деревень с названием Мельнево (например, в Тверской и Костромской областях). Житель такой деревни мог получить прозвище Мельневский, которое со временем сократилось до Мельнев. Однако в этом случае фамилия была бы скорее Мельневский, а не Мельнев, да и суффикс -ев здесь нехарактерен для топонимических прозвищ. Поэтому версия с прозвищем Мельня выглядит убедительнее.

Фамилия не принадлежит к числу дворянских или купеческих — её носители почти наверняка были крестьянами или ремесленниками. Встречается она редко, в основном в центральной России и Поволжье, а также среди старообрядцев, которые часто сохраняли архаичные словоформы. В современном русском языке фамилия звучит неочевидно: человек без этимологического чутья скорее подумает на «мел» или «мель», чем на мельницу. Но именно это и делает Мельнев интересным примером того, как живой говор перекраивает слова, оставляя в фамилии лишь обрубок от целого прозвища.