Фамилия Митляев — редкий случай, когда неочевидная основа сочетается с прозрачной словообразовательной моделью. Суффикс -ев указывает на типичную русскую патронимическую форму: так называли сына, внука или потомка человека, которого звали Митляй. Вопрос в том, что скрывается за этим прозвищем.

Самая вероятная версия ведёт к имени Дмитрий. В разговорной речи на Руси имя Дмитрий сокращали до Митя, а от него образовывали множество уменьшительных и пренебрежительных форм: Митяй, Митюха, Митяха и, в том числе, Митляй. Суффикс -ляй характерен для народных вариантов имён (вспомните Гриша — Гришляй, Вася — Васляй). Таким образом, Митляй — это просторечная, «домашняя» форма крестильного имени Дмитрий. Фамилия Митляев, соответственно, означает «сын Митляя», то есть потомок человека по имени Дмитрий, которого в быту называли этой неофициальной формой.

Менее распространённая гипотеза связывает основу с диалектным словом «митля» или «митель», которое в некоторых говорах означало «метель», «вьюгу». В этом случае прозвище Митляй могли дать человеку с беспокойным, порывистым характером или же родившемуся в ненастную погоду. Однако эта версия уступает первой по правдоподобию: антропонимические модели с корнем от имени Дмитрий встречаются гораздо чаще, чем прозвища от подобных природных явлений.

География фамилии неширокая. Митляевы встречаются преимущественно в центральных и южных регионах России, а также на Украине. В старых документах фамилия фиксируется с XVII века, в основном среди крестьян и однодворцев. Написание с двумя «л» (Митляев) — единственно верное: оно закрепилось в орфографии XIX века и не имеет вариантов через «и» (Митлиев) в литературной норме.

Таким образом, Митляев — это фамилия-«отчество», образованная от народной формы имени Дмитрий. Она не несёт указания на сословие или профессию, но прямо говорит о том, что в роду был человек, которого в обиходе звали Митляй.