Фамилия Милодоров — редкий пример русской фамилии, образованной от сложного прозвища, в основе которого лежат два корня: мило- (от «милый») и -дор- (от «дорогой»). По сути, это славянская тавтология: оба корня означают «любимый», «ценный», «приятный». Такое имя-комплемент могли дать долгожданному или особенно любимому ребенку — что-то вроде «наш дорогой и милый». В древнерусской антропонимии встречались имена Мил, Мила, Дорог, а их слияние в одно — Милодор — встречается реже, что делает фамилию уникальной.

Модель образования типична для русских фамилий XIX века: основа Милодор + патронимический суффикс -ов, указывающий на принадлежность («сын Милодора»). Суффикс -ов здесь закономерен, так как основа оканчивается на твердый согласный (р). В отличие от более частых фамилий на -ин (от основ на -а/-я), Милодоров четко вписывается в «мужскую» модель отчества.

С точки зрения социального контекста фамилия не указывает на конкретное ремесло или сословие. Её носители могли быть крестьянами, мещанами или духовенством — в среде последних сложные «говорящие» имена (вроде Милодор, Благодаров, Любомиров) были особенно популярны в семинарской среде XVII–XVIII веков. В светской среде такое имя-пожелание давали без привязки к статусу, просто как ласкательное прозвище.

География фамилии не широкая: Милодоровы встречаются в основном в центральных и южных регионах России (Воронежская, Тамбовская, Ростовская области), а также в украинских землях. Встречаемость низкая, что подтверждает: перед нами не массовая «географическая» фамилия, а скорее локальное прозвище, закрепившееся в одном-двух родах.

Однокоренные фамилии — Милодорин, Милодоровский, Милодорский — встречаются еще реже и, вероятно, являются более поздними вариантами или описками при записи. Разница в суффиксе (-ин вместо -ов) могла возникнуть, если в основе лежала женская форма Милодора, но это менее вероятно для патронимической модели.