Фамилия Миколаевская образована по самой распространённой в восточнославянском ономастиконе модели — от названия населённого пункта с помощью суффикса -ск-. В этом её главное отличие от фамилий на -ов/-ев или -ин, которые чаще выводятся из личного имени или прозвища. Миколаевская — это типичная «географическая» фамилия, указывающая на то, что её первый носитель либо владел землёй, либо просто был родом из места с названием Миколаево, Миколаевка или Миколаев.

Основа фамилии — имя Миколай. Это народная, украинско-белорусская форма канонического имени Николай (от греческого Николаос — «победитель народов»). В русском языке форма Миколай долгое время считалась просторечной, а в украинском стала нормативной. Поэтому география фамилии Миколаевская в первую очередь охватывает Украину, юго-западные области России и Беларусь. Деревни и хутора с названием Миколаево, Миколаевка, Миколаев встречаются в этих землях часто — в бывших губерниях Черниговской, Полтавской, Херсонской, Киевской.

Модель на -ская/-цкая традиционно была маркером дворянского или шляхетского происхождения. В Речи Посполитой, а затем и в Российской империи, фамилии на -ский носили преимущественно помещики и мелкая шляхта, владевшие имением с соответствующим названием. Однако к концу XIX века эта модель распространилась и среди крестьян, которых записывали по селу или приходу. Поэтому Миколаевская могла быть как фамилией польского или украинского шляхтича из Миколаева, так и фамилией крестьянина, которого в метрической книге записали по месту жительства.

Интересная деталь: в отличие от фамилии Николаевский (образованной от полной церковной формы), Миколаевская сохраняет народное звучание основы. Это говорит о том, что носители фамилии в прошлом были ближе к живой речи, а не к книжной традиции. Аналогичные пары встречаются и в других фамилиях: Ивановский — Иваньковский, Васильевский — Васьковский.

Встречаются и редкие варианты написания — Миколаевская, Миколаевска (у белорусов) и даже Миколаёвская (с ударением на ё). Но основная форма — с двумя «а» и окончанием -ая — закрепилась в русском языке как стандартная для женской линии; мужской вариант, соответственно, Миколаевский.