Фамилия Милютенков — яркий пример того, как отчество, образованное от уменьшительной формы имени, со временем закрепилось в виде фамилии. Её основа — имя Милютеня, которое в свою очередь является производным от крестильного имени Милий. В древнерусской традиции имя Милий (от латинского «miles» — воин, солдат) было не слишком распространено, зато его уменьшительные формы — Миля, Милюта, Милютка — встречались часто. Суффикс -еня в имени Милютеня указывает на ласкательно-уничижительный оттенок (как Степан → Степаня, Иван → Иваненя). Таким образом, Милютенков буквально означает «сын Милютени».

Словообразовательная модель здесь не совсем обычна: фамилия использует суффикс -ов, присоединённый к основе Милютенк-. Этот тип характерен для восточнославянских фамилий, где отчество на -енко (Милютенко) позже обросло русским патронимическим суффиксом -ов, что встречалось при миграции носителей с Украины или южнорусских земель на север. Иными словами, Милютенков — это «русифицированная» версия украинской фамилии Милютенко или белорусской Милютеня.

Географически фамилия тяготеет к западнорусским и южнорусским регионам. Встречается она нечасто, что говорит о её локальном происхождении: скорее всего, предки носителей жили в одной-двух волостях, где прозвище Милютеня закрепилось за целым родом. В документах XIX века можно найти крестьян и мещан с этой фамилией, в основном из Черниговской, Могилёвской и Смоленской губерний. Никакого отношения к слову «милый» в прямом значении фамилия не имеет — это чисто патронимическая конструкция, где корень восходит к имени Милий.

Спорных версий здесь немного. Некоторые исследователи допускают, что основа могла быть прозвищной — от диалектного «милюта» (ласковый, нежный человек), но это менее вероятно, так как суффикс -еня в прозвищах встречается реже, чем в именах. Кроме того, имя Милий давалось при крещении, и его уменьшительные формы были стандартными, что делает версию с именем основной.