Фамилия Милющенков — один из тех случаев, когда суффикс подсказывает больше, чем корень. Модель «-енков» указывает на восточноукраинское или южнорусское происхождение, а конкретнее — на территорию бывшей Слобожанщины (современные Харьковская, Сумская, частично Воронежская и Курская области). В этой зоне фамилии на «-енко» были едва ли не самой массовой формой, а при переходе в великорусскую среду к ним добавляли дополнительный суффикс «-ов», фиксируя принадлежность: Милющенко + ов = Милющенков. Иными словами, предок носителя фамилии был Милющенко, а его сын или внук стал Милющенковым по той же логике, по которой Иванов происходит от Ивана.

Основа «Милющ-» восходит к имени Милюта или Миля. В древнерусской антропонимии было немало производных от корня «мил-»: Миляй, Милуша, Милюта. Это не полные календарные имена, а домашние, обиходные формы от Мил, Милан, Милий или даже от Милослав. Суффикс «-юта» в имени Милюта характерен для северо-западных и новгородских говоров (сравните: Малюта, Никита), но в фамилии он дал «-ющ-» через чередование т/щ в древнерусском языке: Милюта — Милющин — Милющенко. Такая фонетическая цепочка — не редкость: от имени Фома получились Фомин и Фомичев, от Гаврила — Гаврилов и Гаврищев.

Вероятно, прозвище или нецерковное имя Милюта дали человеку ласковому, приветливому или, наоборот, любимцу — в древности такие имена несли пожелание или констатацию качества. Фамилия закрепилась в крестьянской и мещанской среде, поскольку дворянские роды чаще оформлялись через «-ов/-ев» без промежуточного «-енко». Встречаются варианты написания Милющенков и Милющенков — с одной или двумя буквами «щ», что объясняется неустойчивостью произношения в разных диалектах.

Географически фамилия привязана к южным областям России и востоку Украины. В дореволюционных переписях носители фиксировались в Харьковской губернии, а позже — в Курской и Воронежской. Сейчас Милющенковы рассеяны шире, но наибольшая плотность остаётся в Белгородской и Воронежской областях. Сравнение с однокоренными фамилиями — Милютин, Милюков, Милюшин — показывает, что все они вышли из одного гнезда «мил-», но разошлись по разным словообразовательным путям и регионам.