Фамилия Мильчина — женская форма мужской фамилии Мильчин, но в разговоре о происхождении удобнее вести отсчёт от мужского варианта. Основа здесь — прозвище или некалендарное имя Мильча, которое в свою очередь образовано от слова «милый» с помощью суффикса -ч-. Такая модель (основа прилагательного + -ча) типична для древнерусских уменьшительно-ласкательных имён: вспомните Добрыня от «добрый», Милята от «милый» или Хотча от «хотеть». Мильча — это, скорее всего, ласковое домашнее прозвище, которое давали ребёнку в семье.

Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: Мильчин буквально значит «сын Мильчи» или «человек из семьи Мильчи». Это одна из самых архаичных и распространённых притяжательных моделей в русских фамилиях, наряду с -ов/-ев. Фамилия Мильчин встречается в основном в центральных и северных областях России, но географически не привязана к какому-то одному региону — прозвище Мильча могло возникнуть в любой русской деревне.

Есть и вторая, менее очевидная версия. В некоторых говорах «мильча» могло быть не личным именем, а прозвищем по профессии: так называли мельника или помощника мельника (от «молоть», «мельница»). Но здесь есть фонетическое препятствие — корень «мель-» даёт формы вроде Мельча, Мельников, а не Мильча. Переход «е» в «и» в безударном положении возможен, но маловероятен для устойчивого прозвища. Поэтому основная версия с личным именем «от милый» остаётся предпочтительной.

Интересно, что фамилия Мильчин не фиксируется в боярских или дворянских родословных — это типично крестьянская или мещанская фамилия, которая закрепилась за родом не позднее XVII века. Женская форма Мильчина, как и любая фамилия на -ина, в быту могла принадлежать жене или дочери Мильчина, а в современном употреблении просто стала паспортным вариантом для женщин.