Фамилия Митиленко — яркий пример украинской модели фамилий на -енко, самой распространённой на Левобережной Украине и в южнорусских областях. Суффикс -енко в XVII–XVIII веках был показателем не столько родства, сколько принадлежности: он указывал на «сына» или «ученика» того, кто назван в основе. То есть Митиленко — это «Митин сын» или «потомок Мити».

Основа фамилии — Митя, краткая форма от имени Дмитрий. Имя Дмитрий (из греческого Деметриос — «посвящённый Деметре», богине земледелия) было одним из самых частых в православной среде. В украинской и южнорусской традиции краткие формы Мита, Митя дали начало целому гнезду фамилий: Митенко, Митин, Митюков, Митяев. Митиленко стоит в этом ряду особняком — у него необычный для украинских фамилий двойной суффикс: -ил- + -енко. Такая модель встречается реже: она могла возникнуть через прозвище Митило (например, Дмитрий с уменьшительно-ласкательным или пренебрежительным оттенком), к которому затем добавили патронимический суффикс. Другой путь — напрямую от имени Митя с наращением -ило, что характерно для старых украинских прозвищных форм (сравните: Василь — Василило, Гриць — Грицило).

Географически фамилия Митиленко тяготеет к Полтавской, Черниговской и Сумской областям, а также к исторической Слобожанщине — современной Харьковщине и приграничным районам России. В документах XVIII века Митиленки встречаются среди казацкой старшины и мещан, но основная масса носителей — крестьяне и казаки. Социальный состав типичен для фамилий на -енко: они не были дворянскими привилегией, а охватывали все слои украинского общества, от ремесленников до войсковых товарищей.

Спорный момент: иногда Митиленко путают с фамилией Митиленко, образованной от топонима Митилены (столица греческого острова Лесбос). Но это маловероятно: в украинской ономастике нет следов массового переселения греков с таким именованием, а форма на -енко однозначно указывает на патронимическую, а не топонимическую модель.