Фамилия Милюсин — одна из тех, что образована не напрямую от полного крестильного имени, а от его уменьшительной, обиходной формы. В основе лежит имя Милюся — один из множества народных вариантов имени Емилиан (в церковной форме Эмилиан) или же реже — Дмитрий. В русских говорах имя Емилиан сокращали до Емиля, Миля, а от него уже появлялись ласкательные формы с суффиксом -ус-/-юс-: Милюта, Милюня, Милюся. Суффикс -ин в фамилии указывает на принадлежность: «чей?» — Милюсин, то есть сын или потомок Милюси.

Модель образования типична для северных и центральных регионов России, где фамилии на -ин так же распространены, как на -ов на юге. Однако сам корень «Милюс-» встречается реже, чем, скажем, Милюков или Милютин. Это делает фамилию Милюсин более локальной и менее «затертой». Скорее всего, предок носителя фамилии был крестьянином или посадским человеком, и прозвище Милюся закрепилось за ним в быту, а затем перешло в официальный документ при переписях XVII–XVIII веков.

Есть и другая, менее вероятная версия: связь с диалектным глаголом «милюсить» — льстить, умильно уговаривать. В этом случае прозвище Милюся мог получить человек с мягким, вкрадчивым характером или, наоборот, с насмешливым оттенком — льстец. Но для фамилий, образованных от личных имен, такой путь встречается реже, чем от крестильного имени.

В географическом плане фамилия Милюсин тяготеет к Пензенской, Тамбовской и Рязанской областям, а также встречается в Сибири, куда переселенцы уходили в XIX веке. В дореволюционных метрических книгах Милюсины записаны в основном как государственные крестьяне и мещане. Среди дворянства или купечества эта фамилия не фиксируется — она осталась в среде простого сословия, что, впрочем, не делает её историю менее интересной.