Фамилия Милюхин образована от прозвища Милюха, а оно, в свою очередь, восходит к общеславянскому корню мил-. Основа здесь — прилагательное «милый». Так на Руси могли называть человека приятного в общении, доброго, располагающего к себе, либо же того, к кому обращались с лаской — например, младшего в семье. В старину подобные «ласкательные» прозвища были широко распространены и не несли в себе ничего обидного.

Суффикс -юх- в основе Милюха придаёт слову оттенок уменьшительности и фамильярной нежности. Подобная модель словообразования встречается и в других русских фамилиях, например, у тех же Милюковых. Формант -ин в окончании указывает на принадлежность: Милюхин буквально значит «сын Милюхи» или «человек из рода Милюхи». Такой тип фамилий был особенно характерен для северных и центральных областей России, где отчество от прозвищ на -а закреплялось в качестве родового имени.

Существует и вторая, менее вероятная версия происхождения. Некоторые исследователи допускают, что Милюха могло быть производной формой от крестильного имени Милий, которое носил один из раннехристианских святых. В этом случае фамилия попала бы в разряд «полуотчеств», образованных от народных сокращений канонических имён. Однако более правдоподобной выглядит первая гипотеза: прозвищная основа от «милый» встречается в народной речи гораздо чаще, чем редкое имя Милий, и объясняет происхождение фамилии без натяжек.

Потомок человека с прозвищем Милюха со временем получил фамилию Милюхин. Она не указывает на конкретное ремесло или сословие, а говорит о личных качествах предка — его мягкости, доброте или душевной теплоте. В этом смысле Милюхины — обладатели «характерной» фамилии, которая закрепилась за родом благодаря тому, как окружающие воспринимали её основателя.