Фамилия Мильгаева, скорее всего, образована от прозвища Мильгай. В её основе лежит тюркское слово «миль» (милль) — «народ, племя, община» или арабское «милла» с тем же значением религиозной общины. Суффикс -гай характерен для тюркских языков и часто придаёт слову значение деятеля или носителя признака. Таким образом, Мильгай — это человек, относящийся к определённой общине, возможно, староста или представитель рода. Присоединение русского патронимического суффикса -ев превратило прозвище в фамилию по отцу: «чей?» — Мильгаева.

Встречается и более прозаичная версия: от имени Милька (уменьшительное от Емельян) через форму Мильга. Но тюркский корень выглядит убедительнее, поскольку фамилия распространена в Поволжье и Приуралье, где веками жили татары, башкиры и чуваши, а русские фамилии нередко вбирали местные прозвища. В метрических книгах XIX века Мильгаевы фиксируются среди крестьян Казанской и Уфимской губерний — никакого дворянства или купечества, обычные земледельцы и скотоводы.

Ударение в фамилии плавающее: одни носители ставят его на второй слог (МильгАева), другие на первый (МИльгаева). Второй вариант ближе к исходному тюркскому произношению. Родственные фамилии — Мильганов, Мильгин, Милькаев — встречаются реже и тоже тяготеют к востоку европейской части России.