Фамилия Мильцов — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не профессия, а, скорее всего, прозвище, данное за характер или внешность. Её ядро — слово «милый», которое в древнерусском языке имело более широкий спектр значений: не только «приятный, дорогой сердцу», но и «любимый», а иногда даже «жалкий, вызывающий сострадание» (ср. «миловать» — жалеть). Суффикс -цов указывает на типичную восточнославянскую модель образования: «чей?» — Мильцов, то есть потомок человека по прозвищу Милец.

Прозвище Милец могло закрепиться за добрым, уживчивым человеком, которого любили в общине. Но есть и вторая, менее очевидная версия: в говорах «миля» или «миль» иногда называли человека медлительного, «милого» в смысле простоватого, нерасторопного. В этом случае фамилия несла бы не ласкательный, а ироничный оттенок — так могли прозвать кого-то за мешковатость или излишнюю мягкость. Выяснить, какое значение имелось в виду у конкретного предка, без записи в писцовой книге невозможно, но первый вариант (как прямое указание на характер) встречается чаще.

Фамилия географически привязана к центральным и северным областям России. Встречается она нечасто, и её ареал — в основном бывшие Владимирская, Костромская и Вологодская губернии. В южных и западных регионах (Украина, Беларусь) форма Мильцов почти не фиксируется: там аналогичную фамилию писали бы как Мильцев или Мильченко. Эта региональная привязка — важная деталь: она говорит о том, что предки Мильцовых, скорее всего, были крестьянами или посадскими людьми из внутренних уездов Московского государства.

Словообразовательно фамилия стоит в ряду с однокоренными Милов, Мильков, Миляев. Отличает Мильцова суффикс -ец, который в русской антропонимии часто давал прозвищам уменьшительно-оценочный оттенок. То есть Милец — это не просто «милый», а «милый человек», «миляга». Фамилия сохранила этот оттенок живой, разговорной речи, в отличие от более официальных форм на -ов без промежуточного суффикса.