Фамилия Мильцев образована по самой распространённой в русском языке модели — с помощью суффикса -ев, который присоединялся к основам на мягкий согласный или на -й. В данном случае основа — Милец, а фамилия буквально означает «сын Мильца» или «принадлежащий Мильцу». Вопрос в том, что скрывалось за этим прозвищем.

Здесь возможны два основных пути. Первый и самый прямой: Милец — это уменьшительная или обиходная форма крестильного имени Емилиан (в русском быту — Емельян). Имя греческого происхождения, означающее «льстивый» или «ласковый», в народной речи сокращалось до Миля, Милька, Милец. По этой версии Мильцев — вариант фамилии Емельянов, но образованный не от полной, а от краткой формы имени. Второй путь — прозвищный. В южнорусских и украинских говорах «мильцем» или «мильчаком» могли называть человека маленького роста, недомерка, либо, напротив, того, кто «миловался» — был изнеженным, любимчиком. Слово «милый» в диалектах имело и ироничный оттенок: «милец» — приторный, слащавый человек.

С географической точки зрения фамилия тяготеет к центральным и южным регионам России. Встречается она нечасто, что говорит о локальном происхождении: вероятно, родоначальник Мильцев жил в одном из сел нынешней Курской, Воронежской или Рязанской областей, где имя Емельян в форме Милец было особенно употребительно. В дореволюционных переписях фамилия фиксируется в основном среди крестьян и мещан, без признаков дворянского корня.

Стоит обратить внимание на суффикс -ев, а не -ов. Он указывает, что основа оканчивалась на мягкий или шипящий согласный: Милец → Мильцев. Если бы в основе было Мильц (с твёрдым ц), фамилия звучала бы как Мильцов. Такая фонетическая деталь — не случайность, а прямой маркер того, что прозвище или имя произносилось именно как Милец, с мягким окончанием.