Фамилия Мерзлякин образована по простой и ясной модели: основа «мерзляк» плюс суффикс -ин, который в русских фамилиях указывает на принадлежность («чей?» — сын Мерзляка). Суффикс -ин типичен для фамилий, произошедших от слов, оканчивающихся на -а/-я, в отличие от -ов у основ на согласный.

Основа «мерзляк» — не фамилия, а прозвище. В русских говорах мерзляком называли зябкого, постоянно мёрзнущего человека, того, кто кутается и не выносит холода. Слово образовано от глагола «мёрзнуть» с помощью суффикса -як, который придаёт оттенок носителя признака (ср. «простак», «добряк», «сибиряк»). Прозвище давали не в обиду, а как меткую бытовую характеристику: человек либо действительно был очень чувствителен к холоду, либо, наоборот, любил тепло и жаловался на стужу.

В ономастическом словаре Б. О. Унбегауна «Русские фамилии» фамилия Мерзлякин не упоминается отдельно, но модель с суффиксом -як и последующим -ин названа типичной для прозвищной группы. Сравните с однокоренными фамилиями: Мерзляков (та же основа, но суффикс -ов, что встречается реже, так как основа на -як обычно даёт -ин), Мерзлов (от «мёрзлый»), Мерзликин (с вариантом суффикса -ик). Мерзлякин — самая естественная форма для прозвища на -як.

Географически фамилия встречается в центральных и северных регионах России, особенно в Вятской и Пермской губерниях, где слово «мерзляк» бытовало в диалектах. Там же фиксировались крестьяне и мещане с этой фамилией. Сословного барьера не было: прозвище могли дать и в крестьянской среде, и в посадской, но дворянских родов Мерзлякиных не известно — фамилия осталась в простонародье.

Интересная деталь: ударение в фамилии падает на второй слог — Мерзля́кин. Если бы ударение было на первый (Ме́рзлякин), это указывало бы на иную диалектную основу, но письменная традиция закрепила именно вариант с ударным -я-. Так что носитель фамилии может быть уверен: его предка прозвали за то, что он кутался в тулуп даже летом, и это прозвище оказалось настолько цепким, что стало родовым именем.