Фамилия Митлярова образована от мужского имени или прозвища Митляр. Основа здесь — разговорная форма имени Дмитрий. В русских говорах имя Дмитрий давало множество производных: Митя, Митяй, Митюха, Митюня, а также Митляй или Митляр. Суффикс -яр (Митляр) — редкая, но встречающаяся в русской антропонимии модель, сближающая имя с именами на -арь (как Пахарь, Токарь), но здесь это, скорее, бытовое народное переоформление, не связанное с профессией.

Суффикс -ов в фамилии указывает на принадлежность: Митляров — буквально «сын Митляра». Такая модель образования — самая массовая в русских фамилиях, но основа «Митляр» встречается нечасто. Если бы фамилия была образована от полного церковного имени Димитрий, мы бы получили Димитриев или Дмитриев — одну из самых распространённых русских фамилий. Митляров же стоит в ряду более редких вариантов, таких как Митяев, Митягин, Митюков.

Географически фамилия Митлярова (и мужской вариант Митляров) тяготеет к южнорусским и поволжским областям. Встречается в Воронежской, Ростовской областях, а также в Краснодарском крае. Это косвенно подтверждает, что в основе лежит народная, «акающая» форма имени, свойственная южным говорам.

Есть и другая, менее вероятная версия: связь с тюркским словом «митля» или «митляк» — так в некоторых тюркских языках называли вид шапки или колпака. В этом случае прозвище Митляр мог получить человек, носивший такой головной убор. Но эта гипотеза слабая: слово не зафиксировано в русских диалектах в значении прозвища, и фамилия не имеет характерных тюркских суффиксов.

Сословно фамилия Митлярова, скорее всего, крестьянская или мещанская. Дворянские роды с такой фамилией не известны. В документах XVIII–XIX веков носители фамилии встречаются среди однодворцев (государственных крестьян) южных губерний. Таким образом, предки современного носителя фамилии — люди, носившие в быту имя Митляр, то есть Дмитрий, в его местном, диалектном звучании.