Фамилия Милунова — женская форма, мужская — Милунов. Её основа — прозвище Милун, которое образовано от глагола «миловать» (жалеть, любить, ласкать) с помощью суффикса -ун, характерного для имён по действию (ср. «говорун», «веселун»). Милуном в старину называли ласкового, доброго человека, любимца, того, кого «милуют» — жалеют и холят. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые образуются от полных имён (Иван → Иванов), Милунов происходит именно от прозвища, а не от крестильного имени Мил или Милан (хотя эти имена тоже существовали, но давали их реже, чем прозвища).

Суффикс -ов в фамилии указывает на принадлежность: Милунов буквально значит «сын Милуна». Такая модель — самая массовая в русской антропонимии. Географически фамилия Милунов встречается прежде всего в центральных и северных областях России: в Вологодской, Костромской, Кировской областях, а также на Урале. Это зона, где была сильна традиция нецерковных имён-прозвищ и где фамилии на -ов закрепились позже, чем на юге, но уже к XVII веку стали основными.

Спорных версий здесь немного. Иногда Милунова пытаются связать с именем Милонег (славянское двуосновное имя, где первая часть — «мил»), но суффикс -ун указывает на прозвище, а не на сложное имя. Также есть гипотеза о происхождении от слова «мил» в значении «мелкий, мелкий дождь» (диалектное «мил»), но она слабая: прозвище по погоде давали редко, и в этом случае скорее получилась бы фамилия Милов или Милёв.

В писцовых книгах XVI–XVII веков можно найти крестьян и посадских людей с прозвищем Милун — например, в переписи Вологодского уезда 1627 года упомянут Милунко Иванов, крестьянин. От таких записей и пошли современные Милуновы. Сословный состав фамилии — почти исключительно крестьянский и мещанский, дворянских родов Милуновых в «Бархатной книге» и других родословных сборниках не зафиксировано.