Фамилия Мильзетдинова — женская форма мужской фамилии Мильзетдинов, которая принадлежит к пласту тюрко-татарских фамилий, образованных от арабских имен через посредничество исламской традиции. В основе лежит имя Мильзетдин — это диалектный или фонетический вариант арабского имени Мирзетдин (или Мирзаетдин). Распад сложного имени произошел по законам тюркской фонетики: «р» перед «з» могло редуцироваться или переходить в «л», что дало форму «Миль-» вместо «Мир-». Корень «дин» (араб. «религия, вера») в таких именах указывает на связь с исламом, а первая часть «мирза» или «мир» восходит к титулу «эмир» (князь, повелитель) или к арабскому «амир» (приказ). Таким образом, Мильзетдин можно перевести как «князь веры» или «повелитель религии» — имя с явным религиозным и социальным оттенком, популярное у татар, башкир и других тюркоязычных народов, исповедующих ислам.

Суффикс «-ов(а)» в фамилии Мильзетдинова — это русский патронимический формант, который в XVI–XIX веках массово добавляли к тюркским именам при оформлении фамилий в Российской империи. Он указывает на принадлежность к роду: Мильзетдинов буквально означает «сын Мильзетдина». Фамилия могла закрепиться за потомками муллы, учителя медресе или просто уважаемого человека с таким именем, поскольку имена с корнем «дин» часто давали детям в семьях с религиозным уклоном.

Географически фамилия Мильзетдинова встречается в основном в Татарстане, Башкортостане и в татарских диаспорах Урала и Поволжья. В дореволюционных метрических книгах и ревизских сказках (переписях) она фиксировалась с конца XVIII века, но из-за вариативности написания (встречаются формы Мильзетдинов, Мильзитдинов, Мильзетдин) точную дату первого упоминания назвать сложно. Интересно, что в некоторых документах фамилия записывалась через «и» во втором слоге — Мильзитдинов, что отражает местное произношение с редукцией гласных. Эта деталь помогает отличить фамилию от похожих Мирзетдиновых: Мильзетдинова — результат фонетического упрощения, а не ошибки писаря.

В отличие от многих русских фамилий, Мильзетдинова не несет информации о профессии или прозвище предка — она целиком указывает на его личное имя, которое было дано при рождении. Это типичная «именная» фамилия, каких много у татар и башкир: они не говорят, кем был предок, но показывают, как его звали и в какой культурной среде он жил.