Фамилия Милёнышева — вариант женской формы от Милёнышев, и её разбор стоит начать не с корня, а с суффикса, который сразу указывает на необычную модель образования. Суффикс -ышев (а в основе — -ыш-) встречается в русских фамилиях реже, чем стандартные -ов/-ев или -ин. Он характерен для прозвищных и уменьшительно-ласкательных форм: ср. Голыш, Малыш, Дурныш. В случае Милёнышева основа восходит к прилагательному «милый» или к имени Милён (народная форма от Милий, Милентий, а возможно, и от Милена — женского имени, которое могло дать прозвище мужчине). Суффикс -ыш добавляет оттенок ласкательности или, наоборот, ироничного уменьшения: Милёныш — «миленький», «тот, кого ласково называют милым». В русских говорах такие прозвища давали либо любимому ребёнку, либо человеку с мягким, покладистым характером, но нередко и с оттенком насмешки — «милый, да недалёкий».

География фамилии узкая: Милёнышевы встречаются преимущественно в центральных и южнорусских областях (Тамбовская, Воронежская, Рязанская), что подтверждает её происхождение от прозвища, а не от церковного имени. Связь с каноническим Милий (от лат. «miles» — воин) маловероятна — слишком далеко по смыслу и фонетике. Правдоподобнее версия, что в основе лежит разговорное «милёна» — обращение к любимому человеку, которое в некоторых говорах звучало как «милёныш». Тогда фамилия — это не просто «сын милого», а «потомок того, кого называли Милёныш», то есть прозвище закрепилось за родом через одно поколение.

Сравнение с однокоренными фамилиями помогает уточнить картину. В русском ономастиконе есть Милёнов, Милёшин, Милёшкин — все они образованы от тех же корней, но с разными суффиксами. Милёнышев стоит особняком: суффикс -ыш- редко даёт фамилии на -ышев, чаще на -ышкин (Милёшкин). Это говорит о том, что исходная форма прозвища была именно Милёныш, а не Милёшка. В словарях фамилий (например, у Б. Унбегауна) модель на -ышев не выделяется как продуктивная, что делает Милёнышева редким примером локального словообразования.

Таким образом, предки носительницы фамилии, скорее всего, жили в сельской местности, и родоначальник получил прозвище по своему характеру или по отношению к нему окружающих — ласковое, с оттенком уменьшительности. Сословная принадлежность не определяется: такие фамилии встречались и у крестьян, и у мещан, но явно не у дворян, где преобладали модели на -ов/-ев от полных имён. Написание с буквой «ё» (Милёнышева) — не случайность, а указание на произношение: ударение падает на второй слог, что отличает её от возможного варианта Миленышева (с ударением на «е»). В документах XIX века фамилия могла фиксироваться как Миленишева, но современная норма закрепила «ё» как смыслоразличительный знак.