Фамилия Мильхин образована по одной из самых распространенных в русском языке моделей — с суффиксом -ин, который указывает на принадлежность: «чей?» — Мильхин, то есть сын или потомок Мильхи. Основа здесь — прозвище или неканоническое имя Мильха. В русских говорах и диалектах слово «мильха» имело несколько значений, что открывает простор для версий.

Самая прямая и правдоподобная версия связывает прозвище с глаголом «милить» — манить, привлекать, ласкать. В этом случае Мильхой могли называть ласкового, обходительного человека, умеющего угодить. В словаре Владимира Даля «мильха» — это ласкательное обращение, «милый человек». Такое прозвище могло закрепиться за тем, кто отличался мягким нравом или умел расположить к себе.

Вторая версия отсылает к географическому контексту. В некоторых регионах России (например, в южных и центральных губерниях) «мильхой» называли просяную или гречневую кашу — «мильха» или «милька». Прозвище могли дать любителю каши, либо, по ироничной народной традиции, тому, кто её варил или торговал крупой. Эта гипотеза менее вероятна, но имеет право на существование, учитывая, что фамилии от названий блюд не редкость (Кашин, Сметанин).

Фамилия Мильхин встречается в основном в центральных областях России и в Поволжье. В дореволюционных переписях она фиксируется в Тверской, Костромской и Нижегородской губерниях. Суффикс -ин типичен для фамилий, образованных от прозвищ или имён на -а/-я, что подтверждает народное, а не церковное происхождение основы. Священнической или дворянской эта фамилия не была — её носители, скорее всего, происходили из крестьян или мещан.

В написании фамилия устойчива: окончание -ин, а не -ов, что исключает путаницу с патронимом на -ов. Встречается также вариант Милькин, но он обычно связан с другим корнем (от имени Милька, уменьшительной формы от Емельян или Михаил). Для Мильхина же связь с прозвищем Мильха остаётся основной.