Фамилия Мильчев образована от имени или прозвища Мильч. В основе лежит славянское личное имя Мильч, которое является краткой формой от таких имён, как Милослав, Миломир или Милован, — то есть от имён с корнем «мил-» (милый, любимый). Суффикс -ч- в имени Мильч типичен для древнерусских уменьшительных форм: он сжимал длинное имя в короткое, удобное для повседневного общения. Таким образом, Мильч — это «маленький Мил», ласковое обращение к человеку, которого называли по корню «мил».

Фамилия образована по стандартной восточнославянской модели: к основе Мильч- добавился суффикс -ев, указывающий на принадлежность (чей? — Мильчев, то есть сын или потомок Мильча). По этой же схеме возникли фамилии Мильчаков, Мильчуков, Мильченко. В украинской и белорусской традиции чаще встречается вариант Мильченко (с суффиксом -енко, означающим «маленький» или «потомок»), а Мильчев — более характерен для русской среды, особенно для северных и центральных областей России.

Географически фамилия Мильчев не слишком распространена. Её можно встретить в Вологодской, Архангельской, Костромской областях, а также на юге — в Ростовской области и Краснодарском крае. Такое распределение говорит о том, что фамилия могла возникнуть в нескольких независимых очагах: на Русском Севере, где хорошо сохранились древние имена, и в казачьих регионах, куда переселенцы принесли свои родовые прозвания.

Версия о происхождении от прозвища Мильч (от слова «милый») — основная и самая правдоподобная. Менее вероятно, хотя и возможно, что основой стало слово «мильча» — диалектное название мелкой рыбы или насекомого. В этом случае прозвище дали бы человеку маленького роста или суетливому, но такая гипотеза не подкреплена устойчивой традицией. Исследователи русских фамилий (в частности, Б. Унбегаун) относят фамилии на -ев от кратких имён к самому древнему слою, возникшему ещё в XV–XVI веках. Так что Мильчевы, скорее всего, потомки человека, которого в старину ласково звали Мильчем — Милым.