Фамилия Мильченко — типичный пример украинской фамилии, образованной по патронимической модели. Её основа — личное прозвище Мильча, а суффикс -енко, самый распространённый в украинской ономастике, изначально означал «сын» или «потомок». То есть Мильченко — буквально «сын Мильчи». Такая модель массово закрепилась в Поднепровье, на Левобережной Украине и частично на Слобожанщине в XVI–XVII веках, когда казацкая старшина и крестьянство переходили от отчества к наследственным фамилиям.

Что касается самого прозвища Мильча, здесь есть две основные версии. Первая отсылает к общеславянскому корню мил- и прилагательному «милый». В этом случае Мильчей могли назвать долгожданного, любимого ребёнка — ласкательная форма имени или прозвища, выражающая родительскую нежность. Вторая версия связывает прозвище с диалектным словом «мілька» — «маленькая рыба», вероятно, из западных или южных говоров. В таком случае прозвище могло относиться к обрядовой традиции: давая ребёнку «рыбное» имя, родители словно поручали его природе, надеясь, что к нему перейдут полезные качества избранного существа — например, ловкость или неуловимость. Эта практика известна у многих славянских народов, но для фамилии Мильченко она остаётся менее вероятной, чем «милый» корень, хотя полностью исключать её нельзя.

Интересно, что на письме фамилия сохранила мягкий знак, что отражает мягкость согласного в исходном прозвище — Мильча, а не Милча. В русских документах фамилию часто записывали как Мильченко, не адаптируя под местные нормы, и именно такое написание закрепилось. Однокоренные фамилии — Мильченков, Мильчук, Мильчаков — встречаются реже, но все они восходят к той же основе.

Сословной принадлежности первых носителей мы точно не знаем: Мильченко могли быть и казаками, и крестьянами, и мещанами. В реестрах запорожского войска и в метрических книгах XVIII–XIX веков фамилия встречается по всей территории современной Украины, но чаще всего — в Черниговской, Полтавской и Киевской губерниях. Сегодня Мильченко — распространённая украинская фамилия, которую носят и в России, и в Беларуси, куда она попала вместе с миграциями.