Фамилия Милюдина — женская форма, а мужская, соответственно, Милюдин. Её основа — прозвище или нецерковное имя Милюда. В русской ономастике это слово относят к производным от глагола «миловать» (жалеть, прощать) или от прилагательного «милый». Суффикс -уд- в таких именах встречается редко, но он типичен для древнерусских уменьшительно-ласкательных форм: Милюда буквально означало «милый человек», «любимец». Аналогичным образом образованы имена типа Хотюд, Жданюд, где основа — положительное качество.

Словообразовательная модель проста: к основе Милюд- добавили патронимический суффикс -ин, который указывал на принадлежность — «сын Милюды». Такие фамилии были распространены в северных и центральных русских землях, особенно в крестьянской и посадской среде, где патронимы на -ин закрепились раньше, чем в дворянских родах. В документах XVI–XVII веков встречаются крестьяне и ремесленники с прозвищем Милюда, но точная дата первого упоминания самой фамилии Милюдин не установлена.

Существует и менее вероятная версия, связывающая фамилию с тюркским именем Милюд (от арабского «милад» — рождение). Однако для фамилий, оканчивающихся на -ин, такая этимология нетипична, и большинство исследователей склоняются к славянскому корню. Фамилия Милюдина не является ни редкой, ни массовой: она встречается в основном в центральных областях России и в Поволжье, что подтверждает её происхождение от личного прозвища, а не от географического названия.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Милов, Милюков, Миляев, — то Милюдин стоит особняком благодаря редкому суффиксу -уд-. Это указывает на то, что прозвище Милюда могли дать не просто за добрый нрав, а как постоянное, почти ласкательное обращение в семье или общине. Предки носителей фамилии, скорее всего, были людьми, которых в округе называли «милыми» не за заслуги, а за характер.