Фамилия Метлюков образована от прозвища или нецерковного имени Метлюк. Основа — слово «метла» или его производные. В славянских языках «метлюк» часто называли сорную траву (например, лебеду или щирицу), а в переносном смысле — человека невысокого роста, суетливого или того, кто «метёт» по жизни, то есть постоянно в движении. Иногда так могли прозвать того, кто занимался подметанием, уборкой, но вряд ли это было основным значением — скорее, ироничное бытовое прозвище.

Модель образования типична для восточнославянских фамилий: суффикс -ов присоединяется к основе на -юк (Метлюк + ов). Важно, что суффикс -юк здесь не обязательно указывает на украинское или белорусское происхождение, хотя в этих регионах он особенно распространён. В русских землях фамилии на -юков тоже встречаются, но реже. Скорее всего, фамилия Метлюков закрепилась на юго-западе России или в Беларуси, где слово «метлюк» в значении «сорняк» было в ходу.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Метлин, Метлов, Метёлкин — показывает, что Метлюков стоит особняком. В них основа прямая (метла, метёлка), а здесь — уменьшительная или прозвищная форма с суффиксом -юк. Это делает фамилию более «живой»: она могла возникнуть не от профессии, а от внешней или поведенческой черты человека. Унбегаун в «Русских фамилиях» отмечает, что прозвища от названий растений часто давали не по роду занятий, а по сходству или шутке — например, за худобу, неприхотливость или «колючий» характер.

Географически фамилия редкая. В дореволюционных переписях она почти не встречается за пределами западных губерний. В советское время носители могли расселиться шире, но концентрация остаётся низкой. Это не фамилия знатного рода — скорее, крестьянская или мещанская, без сословной привязки.

Если исходить из народной этимологии, иногда Метлюковых путают с фамилией Мятлюков (от «мята»), но это разные корни. Единственная правдоподобная версия — от «метлы» и её производных, без экзотических вариантов.