Фамилия Милимовка — редкий случай, когда географическое название перешло в фамилию практически без изменений. Скорее всего, перед нами не фамилия в классическом понимании, а прозвище, данное человеку по месту его жительства или происхождения. В основе лежит название населённого пункта — деревни или хутора Милимовка. Такие топонимы, оканчивающиеся на -овка, -евка, массово возникали в XIX веке в Малороссии и южных губерниях России и обозначали новое поселение, названное по фамилии или имени владельца (например, Милим → Милимовка).

Сама основа «Милим» восходит, вероятнее всего, к личному имени Милим или Миля. Это могла быть народная форма крестильного имени Емилиан (от греческого «ласковый») или же редкое славянское имя Милим — от корня «мил-» (милый, любимый). В таком случае Милимовка — это «деревня Милима», а её житель получал прозвище по названию деревни, которое со временем закрепилось как фамилия.

Суффикс -к- в окончании фамилии (Милимовка) — необычное явление. Обычно фамилии на -ов, -ин образуются от названий сёл, но форма «Милимовка» сохранила исходный топоним целиком, что характерно для украинской или южнорусской традиции прозвищ. В официальных документах такую фамилию могли дать переселенцу из деревни Милимовка, чтобы отличить его от однофамильцев из соседних сёл.

Встречается фамилия крайне редко, преимущественно в южных областях России и на Украине. Поиск по историческим источникам показывает, что носители фамилии Милимовка могли быть крестьянами или казаками, которые получили фамилию по месту приписки после отмены крепостного права. Географическая привязка здесь — ключевая деталь, и именно она отличает эту фамилию от более распространённых Милимовых или Милимовых, которые образованы по стандартной модели отчества.