Фамилия Мильцын — редкий случай, когда суффикс -ын указывает не на отчество от церковного или славянского имени, а на прозвище, связанное с бытовым предметом. Модель образования проста: основа Мильц- плюс притяжательный суффикс -ын, означающий «сын такого-то» или «принадлежащий такому-то». В русской ономастике суффикс -ын встречается реже, чем -ов/-ев, и чаще закрепляется за основами на -а, -я или за мягкими согласными. Здесь же мы видим основу на -ц, что само по себе необычно и сужает круг возможных источников.

Корень «мильц-» скорее всего восходит к диалектному слову «милица» или «мильца» — так в некоторых говорах называли деревянную ложку, черпак или вообще утварь для размешивания. В словаре Даля зафиксировано слово «милица» в значении «ложка, ковш», а также глагол «милить» — мешать, болтать жидкость. Таким образом, Мильцын — это, вероятно, «сын Мильца», где Милец — прозвище человека, который делал ложки, торговал ими или просто получил насмешливое прозвище за любовь к еде. Вторая, менее вероятная версия — связь с уменьшительной формой имени Емилиан (Миля, Милька), но тогда фамилия выглядела бы как Мильин или Милькин, а суффикс -ын здесь нехарактерен для отчеств от таких форм.

Географически фамилия Мильцын тяготеет к северным и центральным регионам России, особенно к бывшим Вологодской и Архангельской губерниям, где слово «милица» было в ходу. Встречается она крайне редко, что говорит о локальном происхождении — возможно, от одного прозвища в конкретной деревне. Сословно носители фамилии, скорее всего, были крестьянами или ремесленниками, а не дворянами: прозвища от утвари не давали знатным родам. В письменных источниках XVIII–XIX веков Мильцыны могли записываться как Мильцовы или Мильцевы из-за путаницы суффиксов, но со временем написание закрепилось именно с -ын.