Фамилия Мерзлюкин — редкий случай, когда прозвище, от которого она образована, почти наверняка связано не с характером, а с ремеслом или бытовой ситуацией. В её основе лежит глагол «мерзнуть» или прилагательное «мерзлый». Однако напрямую называть «Мерзляком» могли не просто зябкого человека, а того, кто имел дело с холодом: торговца мороженым мясом или рыбой, ледника, возчика льда, а то и человека, жившего в неотапливаемой избе или работавшего на холоде. В северных и сибирских говорах слово «мерзлюк» могло означать «промерзший ком земли» или «сосулька», что тоже могло стать прозвищем.

Словообразовательная модель здесь нестандартна. Вместо привычного суффикса -ов/-ев (как в Мерзляков) или -ин (Мерзлякин) мы видим редкий суффикс -юк- (в основе «мерзл-юк»), который в русских фамилиях встречается нечасто и чаще свойствен украинской или южнорусской традиции. Затем добавлен уменьшительный суффикс -ин, который в русском языке обычно означает принадлежность: «сын Мерзлюка». Таким образом, фамилия прошла двойную обработку: сначала прозвище Мерзлюк (человек, связанный с холодом), потом отчество от него — Мерзлюкин.

По географии фамилия тяготеет к центральным и южным областям России, но встречается редко. В дореволюционных переписях Мерзлюкины фиксировались в Тамбовской, Рязанской и Воронежской губерниях. В этих местах «мерзлюками» могли называть крестьян, торговавших на ярмарках мёрзлой рыбой — распространённый зимний промысел в речных регионах. Версия о происхождении от слова «мерзляк» (человек, который постоянно мёрз) менее вероятна: такие прозвища обычно давали не по физиологической особенности, а по внешнему признаку или занятию.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Мерзляков, Мерзлякин, Мерзлов) показывает, что Мерзлюкин — самая редкая форма. Если Мерзляковых много по всей России, то Мерзлюкины — локальная фамилия, возможно, возникшая в одном конкретном селе или волости. Это типично для прозвищ, закрепившихся за одной семьёй ремесленников. Таким образом, предок носителя фамилии с высокой вероятностью был не просто зябким человеком, а промысловиком, чья работа была связана с холодом и торговлей скоропортящимся товаром.