Фамилия Мерлеева в своей основе хранит прозвище или нецерковное имя Мерлей. Чтобы понять его происхождение, стоит заглянуть в старые русские говоры. Слово «мерлый» в диалектах означало «мёртвый», «окоченевший», а также «вялый», «бесчувственный» человек. Прозвище Мерлей могли дать человеку медлительному, флегматичному или, напротив, пережившему тяжёлую болезнь и получившему шутливое «поминальное» имя — такой обычай на Руси был распространён: чтобы обмануть нечистую силу, ребёнку давали «плохое» имя.

Модель образования типична для русского Севера и Поволжья. Суффикс -еев указывает на притяжательную форму: Мерлеева — дочь или жена Мерлея. В отличие от фамилий на -ов, которые чаще встречались в южных и центральных регионах, -ев характерен для имён и прозвищ на мягкий или шипящий согласный. Сравните: Мерлей — Мерлеев, как Соловей — Соловьёв.

Есть и менее вероятная, но допустимая версия — связь с тюркским корнем «мер» (меткий, ловкий) или ойконимом Мерли (название села). Однако фонетика фамилии (сочетание -леев) и отсутствие широкого распространения в татарской среде делают эту гипотезу слабой. Географически фамилия Мерлеева редкая, встречается в основном в костромских и вятских архивах, что подтверждает севернорусское происхождение. Среди носителей фамилии попадались крестьяне и мещане, никаких дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.