Фамилия Милютенко образована от личного именования Милюта, и понять её значение можно, разобрав это имя. В основе лежит древнерусское прилагательное «милый» — «дорогой, желанный; привлекательный, хорошенький; нежный, кроткий». Такое прозвище могло указывать либо на внешность человека (миловидность, красота), либо на черты его характера (добродушие, незлобливость, кротость).

Есть и вторая, не менее правдоподобная версия. Милюта — это не прозвище, а мирское имя, которым нарекали долгожданного и любимого ребёнка. В этом случае имя несло пожелательную функцию: родители вкладывали в него надежду, что дитя вырастет добрым и ласковым. В труде С. Б. Веселовского встречаются родственные именования Милюта и Милютна, которые носили новгородские крестьяне в XV–XVI веках, что подтверждает давнюю традицию бытования этого имени в северорусских землях.

Суффикс -енко в фамилии указывает на украинское происхождение и на патронимическую модель образования. Буквально Милютенко — это «сын Милюты». Такая модель была широко распространена на территории Левобережной Украины и постепенно закрепилась как наследственное фамильное имя. Изначально прозвище или мирское имя Милюта, присоединённое к крестильному имени, со временем полностью заменило его и в быту, и в официальных документах, а затем дало жизнь фамилии.

Из известных носителей фамилии выделяется Дмитрий Емельянович Милютенко (1899–1966) — украинский советский театральный и киноактёр, чья творческая биография связана с киевскими театрами и классическими ролями в кино.