Фамилия Мильгунова — женская форма фамилии Мильгунов, и разговор стоит начинать с мужского варианта, так как именно он хранит ключ к происхождению. В основе фамилии лежит прозвище или неканоническое имя Мильгун. Такие имена на -ун в древнерусской традиции часто давали по характерному признаку или поведению: Болтун, Молчун, Крикун. Глагол «мильгать» (или «мелькать») означает быстро двигаться, появляться и исчезать, мерцать. Соответственно, Мильгуном могли прозвать непоседливого, вертлявого человека, который постоянно мельтешит перед глазами, или же того, кто работает быстро и с частой сменой занятий.

Суффикс -ов в фамилии типичен для русских фамилий, образованных от прозвищ и мирских имён, и указывает на принадлежность: «сын Мильгуна» или «из рода Мильгуна». Модель образования простая и массовая, что не позволяет с уверенностью говорить о высоком социальном статусе первых носителей — скорее всего, это были крестьяне или посадские люди.

Интересная деталь, которая редко встречается в типовых разборах: фамилия Мильгунов (и Мильгунова) может быть связана не с движением, а с диалектным словом «мильга» — так в некоторых говорах называли миг, мгновение. В этом случае прозвище получал человек, который всё делает «в один мильг», то есть мгновенно, или, наоборот, тот, кто не может усидеть на месте и минуты. Эта версия менее распространена, но лингвистически обоснована, так как корень «мильг-» в значении «мелькать» фиксируется в северных и сибирских говорах.

С точки зрения географии, фамилия не относится к числу сверхраспространённых, но встречается в центральных областях России и в Поволжье. Встречаются варианты написания с одной «л» — Мигунов, но это уже отдельная фамилия, образованная от другого корня (мигать). Путаница на письме могла возникать из-за акающего произношения.

В сословном отношении носители фамилии Мильгуновы, судя по архивным данным XIX века, были в основном государственными крестьянами и мещанами. Дворянских родов с такой фамилией в гербовниках не зафиксировано, что косвенно подтверждает её «простонародное» происхождение от бытового прозвища.