Фамилия Мелодиев — редкий случай в русском ономастиконе, где основой стало не прозвище, не ремесло и не имя, а абстрактное понятие — мелодия. Слово «мелодия» пришло в русский язык из греческого через западноевропейские языки, а в бытовой речи закрепилось сравнительно поздно, в XVIII–XIX веках, вместе с развитием музыкального образования. Поэтому фамилия Мелодиев не могла возникнуть в крестьянской среде, где фамилии образовывались от мирских имён и прозвищ: здесь иная социальная природа.

Скорее всего, фамилия Мелодиев — искусственная, семинарская. В духовных училищах и семинариях, начиная с XVIII века, ученикам нередко давали фамилии по торжественным или красивым словам, отвлечённым понятиям, названиям цветов, камней, музыкальных терминов. Так появлялись Розовы, Смирновы (от «смирение»), Алмазовы, а также Мелодиевы. Фамилию мог получить либо сын певчего или регента, либо сам семинарист, обладавший красивым голосом или музыкальными способностями — своего рода прозвище, облагороженное латинским или греческим корнем.

Суффикс -ев указывает на притяжательное значение: «чей?» — Мелодиев, то есть «сын Мелодия» или «из рода Мелодия». Однако личное имя Мелодий в святцах не встречается, что подтверждает искусственное происхождение основы. В России фамилия встречается крайне редко, преимущественно в городах, и не имеет выраженной региональной привязки, в отличие от массовых фамилий на -ов/-ев.

Версия о происхождении от прозвища Мелодия (человек, который напевал или сочинял простые мелодии) возможна, но маловероятна: в русской деревне такое прозвище не зафиксировано в исторических документах. Гораздо правдоподобнее, что фамилия — продукт книжной, церковной или училищной среды, где ценили благозвучие и возвышенный смысл.