Фамилия Мильштэйн — яркий пример ашкеназской фамилии немецкого происхождения, распространённой среди евреев Восточной Европы. Её основа — два немецких слова: «Mühle» (мельница) и «Stein» (камень). В буквальном переводе Мильштэйн означает «мельничный камень», то есть жёрнов. Такую фамилию чаще всего получал человек, живший рядом с мельницей, работавший на ней или владевший ею. В отличие от многих русских фамилий, образованных от прозвищ или имён, Мильштэйн — чисто топографическая или профессиональная характеристика, закреплённая в документах.

Словообразовательная модель здесь типична для немецких фамилий: два корня сливаются без суффиксов. В русском написании встречаются варианты Мильштейн, Мильштей, Мильштэйн. Форма через «э» (Мильштэйн) — более точная транслитерация немецкого «Mühlstein», где «Mühl» произносится с твёрдым «э». Встречается и вариант Мильштейн, но он графически ближе к английской или идишской передаче. Выбор написания часто зависел от того, в какой стране и в какой период семья получала паспорт или запись в метрической книге.

Фамилия Мильштэйн не принадлежала к какому-то одному сословию. Её могли носить как владельцы мельниц и зажиточные арендаторы, так и простые работники. Массовое закрепление таких фамилий у еврейского населения Российской империи и Австро-Венгрии произошло в конце XVIII — первой половине XIX века, когда власти обязали всех евреев иметь постоянные фамилии. Тогда многие выбирали «говорящие» названия по месту жительства или роду занятий. В случае с Мильштэйн это мог быть и прямой перевод фамилии с идиша, где «миль» — мельница, а «штей» — камень.

Ономастические словари (например, работы Б. Унбегауна по русским фамилиям, а также исследования еврейских фамилий) подтверждают, что подобные сложные слова — «Мельников», «Миллер» — есть в разных культурах, но именно немецкая модель сращения двух существительных (Mühlstein) дала устойчивую фамилию. Географически она чаще всего встречалась на территории современных Польши, Украины, Беларуси и Молдовы — в тех регионах, где было сильно немецкое административное влияние и где проживало много евреев-ашкеназов.

Сегодня носители фамилии Мильштэйн живут в России, Израиле, США и Германии. В русскоязычной среде её нередко путают с фамилией Мильштейн, считая их разными фамилиями, хотя это просто орфографические варианты одного корня.