Фамилия Милимко — один из тех случаев, когда суффикс подсказывает происхождение точнее, чем корень. Окончание -ко выдает в ней носителя западнославянской или украинской модели фамилеобразования. В польском, белорусском и украинском языках суффикс -к-о (часто в форме -ко) образует фамилии от личных имён или прозвищ, придавая им уменьшительно-ласкательный или патронимический оттенок: буквально «маленький Милим» или «сын Милима».

Корень Милим- восходит к древнему славянскому имени Милим (Милимъ). Это двухосновное имя, где первая часть «мил-» (милый, любимый) соединяется с окончанием, характерным для кратких форм. В старину на Руси и в Польше было распространено имя Мил, а Милим — его производная форма, означавшая «милый, дорогой человек». В польском языке существует имя Milim, которое могло быть как самостоятельным, так и сокращением от Милослав или Миломир.

С географией фамилии всё менее определённо. Милимко — редкая фамилия, и её современные носители встречаются в основном на западе Украины (Волынь, Галиция) и в пограничных районах Польши. Встречаются единичные записи в Беларуси. Это указывает на то, что фамилия сложилась в зоне смешения украинского и польского влияния, где -ко было типичным окончанием для крестьянских и мещанских фамилий.

Версия, что корень связан с тюркским словом «милим» (тысяча) или с греческим «милиум» (медовый), маловероятна: ни исторические миграции, ни ареал бытования фамилии таких заимствований не подтверждают. Фамилия Милимко — типичный пример того, как личное имя, обозначавшее душевное качество, превратилось в родовое прозвище, а затем закрепилось через суффикс. Предок первого носителя, скорее всего, был человеком, которого в округе звали Милим — ласково, по имени или по характеру, а его потомки стали Милимко.