Фамилия Миличкин — редкий случай, когда суффикс -ин присоединился к основе, которая сама по себе уже была уменьшительно-ласкательной. В большинстве русских фамилий на -ин корень оканчивается на -а или -я (Петя — Петин, Миша — Мишин). Здесь же основа — Миличка, что сразу наводит на мысль о вторичном образовании: сперва появилось прозвище или некалендарное имя Миличка, а уже от него — фамилия.

Самая вероятная версия происхождения — от имени Мила, Милена или Милица. В русской традиции имя Милица (южнославянского происхождения, от слова «мил») было известно, хоть и нечастым. Уменьшительная форма Миличка звучала естественно: как Ленка — Леночка, так и Мила — Миличка. От этой ласкательной формы и пошла фамилия, означавшая буквально «сын Милички» или «потомок человека по прозвищу Миличка». Важно, что суффикс -ичк- в основе — не фамильный, а именной, он уменьшительный, и фамилия сохранила его в нетронутом виде, что нехарактерно для более поздних фамилий на -ин.

Менее вероятная, но возможная версия — отчество от прозвища Милик, которое могло быть усечением от имени Демид (Диомид) или от слова «милый» с тюркским суффиксом -ик. В таком случае Миличкин — это «внук Милика», но цепочка Милик — Миличкин грамматически нестандартна: обычно от Милик образовали бы Миликов. Поэтому версия с Миличкой как личным именем или прозвищем убедительнее.

Географически фамилия Миличкин встречается крайне редко, в основном в центральных регионах России, и не фиксируется в массовых списках дворянских или купеческих родов. Это говорит о крестьянском или мещанском происхождении: фамилию дали по домашнему, внутрисемейному прозвищу, которое не вышло за пределы одного рода. Сословная принадлежность предков, скорее всего, была податной — крестьяне или однодворцы.

С точки зрения словообразования, Миличкин стоит в одном ряду с такими фамилиями, как Аничкин, Маничкин, Ваничкин — все они образованы от двойных уменьшительных форм (Аня — Аничка — Аничкин). Но если Аничка — распространённая форма, то Миличка — более редкая, и это делает фамилию ценной для историка языка: она сохранила живую, нестандартную модель именования, которая в XIX веке почти исчезла под напором стандартных отчеств на -ов.