Фамилия Митилева — редкий случай, когда исходное слово почти полностью вытеснено из живого языка, но оставило след в прозвищах. Основа здесь — не имя и не профессия, а, скорее всего, древнерусское диалектное слово «митиль» или «митель». В говорах севера и северо-востока Европейской России так называли метель, пургу, вьюгу, а также — переносно — очень быстрого, суетливого или беспокойного человека, который «метёт» по двору. Прозвище Митиль закреплялось за непоседой или за тем, кто родился в сильную непогоду.

Суффикс -ев указывает на патронимическую модель: Митилев — сын Митиля. Женская форма Митилева — это либо жена, либо дочь Митиля, но в современном употреблении это фамилия, а не отчество. Формально она вписывается в ряд фамилий от прозвищ на -иль (Куриль, Косыль, Сопель), но конкретно Митиль — слово редкое, почти не встречающееся в письменных источниках XVIII–XIX веков.

Географически фамилия тяготеет к Вологодской и Архангельской областям, а также к Вятке — регионам, где слово «митель» в значении «метель» бытовало до середины XX века. Встречается и вариант Митилев — без чередования, что подтверждает связь с прозвищем, а не с каким-либо именем.

Вторая, менее вероятная версия — от тюркского имени Митил (в основе арабское «митхаль» — пример, образец), но для фамилии с суффиксом -ев это нетипично: тюркские основы чаще дают -ов, а не -ев. К тому же ареал фамилии — русский Север, где тюркское влияние минимально. Поэтому версия с метелью и непоседой — основная и единственная, имеющая под собой лексическую почву.