Фамилия Мельцаева — женская форма фамилии Мельцаев, и её происхождение связано с неочевидным, но очень конкретным прозвищем. Чтобы понять корень, нужно отбросить суффикс -ев, который указывает на принадлежность («чей?» — Мельцаев, то есть сын или потомок Мельцая). Основа — Мельц-.

Здесь мы сталкиваемся с диалектным словом «мелец» или «мельца». В говорах русского Севера и Сибири так называли мелкую рыбу, малька, а также, в переносном смысле, невысокого или незначительного человека, «мелюзгу». Фамилия образована через прозвище Мельцай — скорее всего, так могли прозвать человека маленького роста или юркого, подвижного, как рыбёшка. Суффикс -ай в русских прозвищах частотен: он придаёт слову оттенок просторечия и характерности (сравните: Лепетай, Шептун, Кричай).

Версия о связи с профессией «мельник» (от «мельница») маловероятна: для этого использовались суффиксы -ник или -арь (Мельников, Мельниченко, Мельничук), а форма «Мельца» для мельника нехарактерна ни в одном диалекте.

Географически фамилия редкая, но встречается в Поволжье и на Урале — как раз в зоне распространения северорусских говоров, где слово «мелец» было в ходу. В XIX веке носители фамилии были преимущественно крестьянами и мещанами, фамилия не дворянская и не купеческая. Интересно, что ударение в фамилии плавающее: в одних семьях говорят Мельца́ев, в других — Ме́льцаев, что типично для фамилий с неясной этимологией.

Таким образом, предок современного носителя фамилии получил прозвище по внешности или характеру — за небольшой рост или шустрость, и это прозвище закрепилось в роду как фамилия.