Фамилия Мильнцева — женская форма, а её мужской вариант Мильнцев — довольно редкая русская фамилия, в которой сочетаются сразу две особенности: неочевидная основа и суффикс, указывающий на происхождение от прозвища или занятия. Чтобы понять её корни, нужно отбросить фамильный суффикс -ев и посмотреть на основу Мильнц-. Скорее всего, в основе лежит слово «мильница» — так в некоторых русских говорах, особенно северных и вологодских, называли мельницу. Чередование «е» и «и» в корне (мельница → мильница) — явление диалектное, характерное для акающих говоров, где безударные гласные произносятся нечётко. Таким образом, Мильнцев — это «сын мельника» или, реже, «сын того, кто живёт у мельницы».

Суффикс -ев, а не -ов, указывает на то, что основа оканчивалась на мягкий или шипящий согласный: в слове «мильница» конечный «ц» твёрдый, но в прозвище Мильнец (с мягким «ц») суффикс даёт -ев. Фамилия образована по типичной притяжательной модели: Мильнец → Мильнцев (чей? — Мильнцев). Прозвище Мильнец мог получить человек, работавший на мельнице, либо владелец мельницы, либо тот, кто жил рядом с ней. В русской ономастике такие фамилии на -ец/-цев встречаются реже, чем на -ов/-ев от имён, и часто указывают на конкретное место или занятие.

Географически фамилия Мильнцева встречается в основном в центральных и северных областях России — в Вологодской, Архангельской, Костромской, а также в Поволжье. Это совпадает с зоной распространения диалектного слова «мильница». В документах XVII–XVIII веков, например, в переписных книгах, можно встретить крестьян с прозвищем Мильнец, но сама фамилия в современном виде закрепилась позже, в XIX веке, когда фамилии стали обязательными для всех сословий.

Другие версии происхождения менее вероятны. Например, связь с личным именем Милонег (уменьшительное Мильня) — но тогда фамилия звучала бы как Мильнев или Мильнин. Связь с тюркским словом «миль» (тысяча) или с немецким Müllner (мельник) возможна, но для русской фамилии без миграционного контекста маловероятна. Самый простой и надёжный путь — от диалектной «мильницы» и прозвища Мильнец, что делает предка носителя фамилии человеком, связанным с мукомольным делом.