Фамилия Мельцева образована от прозвища Мелец, и в основе её лежит глагол «молоть». В словаре Владимира Даля «молоть» означает «растирать, мозжить треньем и гнетом, обращать что-либо в крупку, в муку, в порошок». Чаще всего такое именование давали человеку по роду занятий: мельнику или тому, кто молол зерно ручным жерновом. Это профессиональное прозвище было понятно каждому современнику и быстро закреплялось за семьёй.

Однако у глагола «молоть» есть и переносное значение — «болтать», «говорить вздор». Поэтому не исключено, что прозвище Мелец мог получить разговорчивый, общительный человек, любитель поболтать. Вторая версия менее распространена, но она тоже имеет право на существование: в народной речи за словом «мелево» и однокоренными словами прочно закрепился оттенок пустой речи. Правдоподобнее всё же выглядит профессиональная версия, поскольку прозвища по ремеслу в славянской среде встречались чаще, чем прозвища по черте характера.

Модель образования фамилии проста и типична для восточных, западных и южных славян: к основе Мелец добавили притяжательный суффикс -ев, получилось «Мельцев» — то есть сын, потомок Мельца. Женская форма Мельцева — это та же фамилия, только в грамматическом роде жены или дочери. Славянские фамилии вообще часто возникали от личного прозвища или имени, христианского или языческого, и фамилия Мельцева — типичный пример такой модели.

Интересно, что в написании фамилии сохранился мягкий знак: Мельцев, а не Мелцев. Это след от мягкого согласного в основе прозвища Мелец, который при склонении и словообразовании сохранился. Такая особенность встречается не у всех аналогичных фамилий, и она помогает отличить Мельцевых от однофамильцев с более поздним упрощённым написанием.

Сведения о носителях фамилии встречаются в Памятных книгах разных регионов. В Книге памяти Алтайского края упоминаются Алексей Николаевич Мельцев, родившийся в 1894 году в Томской губернии, и Павел Николаевич Мельцев, родившийся в 1895 году там же. В Книге памяти Новгородской области есть запись о Василии Иосифовиче Мельцеве, родившемся в 1910 году в городе Старая Русса. А в Книге памяти Пермской области — о Григории Ивановиче Мельцеве, родившемся в 1881 году в селе Спас-Барда Кишертского района. Эти записи показывают, что фамилия была распространена по всей России, от Сибири до Новгородчины, и встречалась в разных сословиях.