Фамилия Метленкин — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, почти наверняка связано с характером или поведением человека. Её ядро — слово «метляк» или «метлик». В южнорусских и украинских говорах так называли мотылька, бабочку. Соответственно, Метляк — прозвище суетливого, неспокойного человека, который, как мотылёк, постоянно мельтешит, перелетает с места на место. Могли так назвать и просто вертлявого, подвижного ребёнка.

Суффикс -кин указывает на принадлежность: «чей сын?» — Метленкин. Это типичная модель русских фамилий, образованных от прозвищ или имён, оканчивающихся на -а, -я. Форма «Метленкин» вместо ожидаемого «Метлякин» — результат исторического изменения: «я» под ударением в беглой речи могло перейти в «е» (явление «яканья» наоборот или просто влияние письменной традиции). Такие фонетические варианты нередки в фамилиях.

Есть и менее вероятная, но возможная версия: связь с диалектным глаголом «метлить» — медлить, мешкать. В этом случае прозвище Метля получил бы человек неторопливый, задумчивый. Однако большинство ономастов склоняются к первой версии — с мотыльком, так как она подтверждается большим числом однокоренных фамилий (Метляев, Метёлкин) и устойчивостью прозвищ по поведению в русской антропонимии.

Фамилия бытует в центральных и южных областях России, чаще всего встречается в Курской, Орловской, Воронежской губерниях — как раз в зоне распространения южнорусского говора, где слово «метлик» было в ходу. Встречается и вариант написания Метлянкин — с тем же корнем, но другим суффиксом. Носители фамилии исторически — в основном крестьяне, реже мещане, поскольку фамилия образована от простонародного прозвища, а не от церковного или княжеского имени.