Фамилия Милеенко образована по распространённой в украинской и южнорусской среде модели на -енко. В этой модели суффикс -енко указывал на происхождение по отцу: Милеенко — буквально «сын Милея». Такой способ был особенно характерен для территорий современной Украины и прилегающих областей России в XVI–XVIII веках, когда фамилии на -енко ещё не стали наследственными, а означали «чей сын».

Основа фамилии — личное имя Милей. Это некалендарное, народное имя, которое могло быть производным от славянского корня «мил-» (милый, любимый). В старину имена с этим корнем — Мил, Миля, Милуша — давали как охранительные: считалось, что имя «милый» защитит ребёнка от злых сил. Другая возможность: Милей — это сокращение от крестильного имени Емилиан (разговорное Емилей) или от греческого Милий. В любом случае, имя было употребительным в простонародье, а не в дворянской среде.

Географически фамилия Милеенко тяготеет к восточной Украине и югу России. В исторических документах носители чаще всего встречаются в Харьковской, Полтавской губерниях и в землях Войска Донского. Это указывает на казачье или крестьянское происхождение: фамилии на -енко там закреплялись в реестрах казаков и в метрических книгах сельских церквей.

Интересная деталь: написание через двойное «е» — Милеенко, а не Миленко — сохраняет след ударения на второй слог и указывает на то, что в основе было полное имя Милей, а не краткое Мила. В говорах, где имя Милей звучало как Милiй, фамилия могла писаться через «i» — Милiєнко, но в русской передаче закрепилось Милеенко.

Социально фамилия не знатная. Её носители — потомки свободных или крепостных крестьян, ремесленников, казаков. В дворянских родословных книгах Милеенко не встречается, что типично для фамилий на -енко: они долго оставались низовой, простонародной формой. Сегодня фамилия редкая, но устойчивая — её можно найти в современных базах данных среди жителей Украины, а также в диаспорах в России и Казахстане.