Фамилия Мильшина образована от имени Мильша — варианта славянского имени Милош. В основе лежит общеславянский корень «мил-» со значением «милый, любимый». Происхождение самого имени до конца не ясно: его могли создать напрямую от этого корня, а могли использовать как краткую форму более сложных имен — Милослав, Милодраг, Миладин, Милован. Сегодня имя Милош встречается у болгар, поляков и сербов, что указывает на широкое бытование корня у разных славянских народов.

Фамилия построена по типичной для русских фамилий модели: к основе Мильш- добавили притяжательный суффикс -ин, который отвечал на вопрос «чей?». Поэтому Мильшин буквально означает «сын Мильши», «ребенок Мильши». Со временем форма родительного падежа закрепилась как фамилия, а для женщин появился вариант Мильшина.

Интересно, что форма Мильша вместо более привычного Милош возникла, скорее всего, под влиянием народной речи: звук «ш» здесь смягчился и добавил имени простонародный оттенок. В письменных источниках такие имена часто фиксировали по-разному, поэтому могли встречаться написания Милша и Мильша. Фамилия Мильшин и ее женская форма Мильшина встречаются в центральных и южных регионах России, где оседали выходцы из западнославянских земель, однако точную географию расселения носителей проследить сложно — данные разрозненные.

Родственные фамилии — Милошев, Милошин, Мильчаков — тоже восходят к этому корню, но каждая из них образована от своей формы имени. Если Милошев прямо указывает на имя Милош, то Мильчаков мог возникнуть от уменьшительного Мильчак. Так что фамилия Мильшина стоит в одном ряду с целым семейством «милых» фамилий, и ее носители могут считать себя потомками человека, которого в старину называли ласково и тепло.