Фамилия Митленко звучит как типичная украинская фамилия, и её происхождение действительно связано с украинской или южнорусской традицией именования. Суффикс -енко — самый распространённый в украинской ономастике, он указывает на «сына» или «потомка» человека, чьё имя или прозвище легло в основу. В данном случае основа — Митло. Это краткая форма от имени Дмитрий, но не через привычное Митя, а через диалектный вариант Митло. В украинских говорах и в некоторых южнорусских регионах Дмитрия могли называть Митло, откуда и пошло отчество Митленко — «сын Митла».

Менее вероятная, но возможная версия — связь со словом «митло» (укр. «метла»). В таком случае фамилию мог получить человек, чьё прозвище было связано с этой профессией или бытовой деталью, например, подметальщик или просто человек с характерной внешностью, напоминающей метлу. Однако для украинской модели -енко более типично образование от личных имён, чем от нарицательных слов (сравните: Петренко, Иваненко, Гриценко). Поэтому версия с Дмитрием выглядит убедительнее.

География фамилии Митленко сосредоточена в центральных и восточных областях Украины, а также в приграничных областях России — Белгородской, Воронежской, Курской. Это зона активного бытования фамилий на -енко, которые в XIX веке фиксировались у казаков, крестьян и мещан. Поскольку фамилия недворянская и не имеет церковного варианта (как, например, Дмитриев), её носители — потомки простых людей, чьи предки получили фамилию по отцу в период массового закрепления фамилий на Украине в XVII–XVIII веках.

Есть ещё одна лингвистическая деталь: в фамилии Митленко ударение обычно падает на первый слог — Ми́тленко. Это отличает её от множества фамилий на -енко с ударением на предпоследний слог (Петре́нко). Такое ударение может быть следствием того, что основа Митло в говорах произносилась с ударением на первый слог, что характерно для некоторых диалектов украинского языка. Таким образом, фамилия Митленко — это не просто «сын Дмитрия», а свидетельство местного произношения, сохранившегося в фамилии на века.