Фамилия Милиметьева — редкий случай, когда основа, на первый взгляд, прозрачна, но на деле ставит исследователя в тупик. Самое очевидное, что приходит в голову, — связь с единицей длины «миллиметр». Однако в русской ономастике фамилии от измерительных приборов и единиц (например, Метров, Аршинов) встречаются, но крайне редко и обычно носят искусственный, семинарский характер. Версия о том, что предок был портным или землемером, работавшим с точностью до миллиметра, хоть и романтична, но лингвистически слаба: слово «миллиметр» вошло в широкий обиход лишь в XIX веке, когда фамилии у крестьян уже в основном сложились.

Куда правдоподобнее взглянуть на фамилию как на результат искажения или диалектного произношения другой, более древней основы. Суффикс -ев указывает на происхождение от отчества или прозвища на -ь (типа Милиметье-в сын). Сама основа «Милиметь» могла возникнуть из канонического имени Емельян (от греческого «ласковый»). В народной речи Емельян превращался в Емелю, Милю, а с добавлением суффикса -метий (под влиянием редкого имени Милетий) могло появиться прозвище Милиметий. Со временем «Милетиев» через упрощение или ошибку писаря превратилось в «Милиметьев». Подтверждает эту версию и то, что в тверских и псковских говорах звук «т» в конце основы перед суффиксом -ев встречается в фамилиях от уменьшительных форм (ср. Дементьев от Дементий).

Есть и третий, более прозаичный вариант. В северных и сибирских говорах слово «мили́мый» (милый) могло звучать как «мили́меть». Прозвище Милиметь давали любимому, желанному ребенку или ласковому мужу. От него и пошла фамилия Милиметьевы. Географически фамилия тяготеет к Вологодской и Архангельской областям, что косвенно подтверждает северорусскую диалектную природу прозвища. Таким образом, Милиметьева — это не про метр и сантиметр, а, скорее всего, про народную переделку имени Емельян или про старое ласковое прозвище.