Фамилия Мельцель — редкий пример немецкого по происхождению имени, которое закрепилось в русской среде. Её основа — немецкое слово Mälzel или Metzel, восходящее к профессии мясника (Metzger в южно-немецких диалектах). Однако более точный вариант — от Mälzel, уменьшительной формы имени Melchior (Мельхиор), одного из трёх библейских волхвов. В немецкой ономастике такие фамилии нередко возникали как прозвища по имени отца или хозяина дома.

Суффикс -ель в русской передаче — это адаптация немецкого -el, типичного для уменьшительных форм в баварском и австрийском диалектах. Фамилия могла попасть в Россию вместе с переселенцами из немецких княжеств в XVIII–XIX веках, когда в Поволжье, Причерноморье и на Волыни возникали колонии ремесленников и земледельцев. В отличие от многих немецких фамилий, оканчивающихся на -ер или -ман, Мельцель сохранила редкий для русского уха финал, что указывает на её диалектное происхождение.

Вторая версия, менее вероятная, связывает фамилию с немецким словом Melz — «солод», и тогда Мельцель мог быть прозвищем пивовара или солодовщика. Но в немецких источниках фамилия Mälzel чаще фиксируется именно как личное имя, а не ремесленное обозначение. В России носители фамилии встречаются в основном в Саратовской, Самарской областях и в Омском Прииртышье — регионах, где исторически были компактные немецкие поселения.

На письме фамилия иногда варьируется: встречается написание Мельцель, реже Мёльцель или Мелцель. В современном русском языке ударение обычно падает на первый слог: Ме́льцель. Поскольку фамилия не славянская, у неё нет типичных русских суффиксов -ов или -ин, и она не склоняется по падежам в женском роде. Это делает её заметной в документах и переписях — даже спустя поколения она выдаёт немецкие корни предка.