Фамилия Милиметова — один из тех редких случаев, когда прозвище, лёгшее в основу, почти наверняка связано не с профессией или внешностью, а с характером, точнее — с манерой поведения. В её основе лежит слово «миллиметр» (в старом произношении — «милиметр»), но не как единица измерения, а как ироничное прозвище. Так в народе могли назвать человека чрезвычайно дотошного, педантичного до мелочей, того, кто «мерит всё по миллиметрам». В крестьянской среде, где ценилась сноровка, а не скрупулёзная точность, такое прозвище закреплялось за редкими грамотеями, приказчиками или просто занудами.

Суффикс -ов- в фамилии Милиметова указывает на стандартную русскую патронимическую модель XIX века: Милиметов — сын Милимета, то есть человека с прозвищем Милиметр. Женская форма Милиметова образована по тому же правилу. Фамилия эта не принадлежит к числу дворянских или старинных боярских родов — она типично крестьянская или мещанская, возникшая не раньше середины XVIII века, когда прозвища начали массово превращаться в наследственные фамилии.

Географически фамилия Милиметова встречается крайне редко. Основной ареал — центральные и южные регионы России, особенно Воронежская, Ростовская области и Краснодарский край. В дореволюционных переписях она почти не фиксируется, что говорит о её позднем закреплении и малой распространённости. Встречаются варианты написания через два «л» — Миллиметова, но это уже влияние литературной нормы XX века.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Метров, Сантиметров) показывает, что все они образованы по одному принципу: от прозвищ, данных за скрупулёзность или, наоборот, за нелепую страсть к точным измерениям. В словаре русских фамилий Б. Унбегауна подобные примеры не выделены отдельно, но они вписываются в общую модель прозвищ от нарицательных существительных. Таким образом, носительница фамилии Милиметова может быть уверена: её предок был либо дотошным счетоводом, либо человеком, которого в шутку дразнили за чрезмерную аккуратность.