Фамилия Митлаевский звучит необычно, и это первая зацепка для её разбора. Она образована по модели, типичной для польской или украинской шляхты: суффикс -ский указывает на происхождение от географического названия. Такую фамилию мог получить человек, владевший или живший в местечке, которое называлось Митлаево, Митлаевка или похоже. Без суффикса -ский основа Митлай — это, скорее всего, прозвище или вариант крестильного имени.

Корень «Митла» наводит на две версии. Первая: это искажённое или диалектное произношение имени Дмитрий (в народе — Дмитлай, Митрей, Митлай). Вторая, более редкая: прозвище от слова «метла» или «митла» (в некоторых говорах так называли веник, метёлку). В таком случае прозвище могло закрепиться за человеком с определённой профессией — метельщиком, дворником, либо за тем, кто был худым и долговязым, как метла. В ономастических работах (например, у В. Никонова) отмечается, что фамилии на -ский редко возникали из чисто бытовых прозвищ, поэтому версия с именем Дмитрий выглядит правдоподобнее: от уменьшительного Митлай (Митляй) через топоним образовалась фамилия дворянского или казачьего круга.

Географически фамилия Митлаевский встречается в основном на западе Украины (Волынь, Хмельнитчина) и в юго-западных областях России (Брянская, Курская). Это совпадает с зоной распространения фамилий на -ский, которые активно формировались в Речи Посполитой и на землях, входивших в состав Российской империи после разделов Польши. Социальный контекст: носитель такой фамилии мог быть мелкопоместным шляхтичем, однодворцем или казачьим старшиной, чей род получил фамилию по названию хутора или усадьбы.

Спорных версий тут немного: иногда Митлаевского путают с еврейскими фамилиями на -ский, но типично еврейская модель (Митлаевский как топонимическая от местечка Митла) не имеет подтверждений — таких населённых пунктов в черте оседлости не зафиксировано. Так что с высокой вероятностью фамилия имеет восточнославянское происхождение и связана с именем Дмитрий, а её редкая форма — следствие местного говора и польского влияния на фамилиеобразование.