Фамилия Милихина — женская форма мужской фамилии Милихин, и её разбор стоит начать с суффикса. Суффикс -ин указывает на принадлежность: Милихин — это «чей?» — сын или потомок Милихи, а Милиха, в свою очередь, — разговорная или уменьшительная форма крестильного имени. В основе почти наверняка лежит каноническое имя Емилиан (от латинского «соперник»), которое в русском обиходе сокращалось до Емиля, Миля, а с ласкательным суффиксом -иха давало Милиха. Фонетическое изменение «е» на «и» в безударном положении — обычное для русских говоров явление, поэтому написание Милихин закрепилось.

Есть и другая, менее вероятная версия: от прозвища Милиха, образованного от слова «милый». Но в таком случае форма была бы скорее Милихин от Милиха, а не от «милый» напрямую, и фамилия сохраняла бы оттенок ласкательного обращения. Однако крестильная версия надёжнее, потому что цепочка Емилиан — Миля — Милиха — Милихин типологически повторяется во множестве русских фамилий: от Емельян — Емельянов, от Миля — Милин, а Милихин — лишь один из вариантов с редким суффиксом -их-.

Географически фамилия Милихин встречается в центральных и северных областях России, особенно в старых переписях Вологодской и Архангельской губерний, где суффикс -их- в фамилиях (вроде Скородумов, Козьмин) был распространён. Носители фамилии, скорее всего, были крестьянами или посадскими людьми, а не дворянами: фамилии на -ин от крестильных имён в простонародье фиксировались позже, в XVII–XVIII веках, и не попали в родословные книги.

Примечательно, что форма Милихина сохраняет ударение на втором слоге (Ми-ли́-хи-на), что отличает её от омонимичных фамилий с ударением на первый слог — например, от Ми́лихин, если бы корень был от «мило». В современном русском языке фамилия редкая, и её носители, вероятно, могут проследить родство до одного из нескольких локальных гнёзд на Русском Севере.