Фамилия Митроева — яркий пример того, как женский вариант может рассказать о мужской основе больше, чем сама мужская форма. Митроев — это отчество второго порядка: от имени Митрофан. В русской традиции Митрофан (греч. «явленный матерью») сокращали до Митроха, Митроша, а форму Митроя, скорее всего, использовали в южнорусских или украинских говорах, где усечение шло активнее. Суффикс -ев указывает на принадлежность: «чей?» — Митроев, то есть сын Митроя. Митроева, соответственно, — «дочь или жена Митроева».

Интересно, что фамилия не получила широкого распространения в центральной России, где чаще встречались Митрофановы или Митрошины. Митроевы тяготеют к югу — к Ростовской области, Краснодарскому краю, а также к Поволжью. Возможно, это следствие переселения крестьян в XIX веке: носители фамилии могли быть выходцами из Курской или Воронежской губерний, где имя Митрофан было особенно популярно благодаря почитанию святителя Митрофана Воронежского.

Словообразовательная модель проста, но редка: основа на -ой (Митрой) плюс -ев даёт фамилию, которую легко спутать с топонимической (от названия села Митроево). Однако топоним вторичен — он тоже произошёл от имени. Встречается и вариант Митроев с ударением на последний слог, что характерно для украинизированных фамилий, но в русском языке норма — ударение на первый слог.

Социальный статус предков определить сложно: Митроевы не упоминаются в дворянских родословных книгах, а значит, основатели рода были крестьянами или мещанами. В метрических книгах XIX века фамилия фиксируется как Митроевъ, с твёрдым знаком на конце, что подтверждает её позднее оформление — в XVIII–XIX веках, когда отчества окончательно закрепились как наследственные фамилии.