Фамилия Митряйкин образована от имени Митряй — народной формы крестильного имени Дмитрий. В русском языке имя Дмитрий (от греческого Деметриос — «посвящённый Деметре», богине земледелия) дало множество производных: Митя, Митюха, Митяй, Митряй. Если Митяй — самая распространённая уменьшительная форма, то Митряй — вариант с суффиксом -яй, характерным для северных и владимирских говоров. Такие имена нередко становились уличными прозвищами, а затем и фамилиями.

Суффикс -кин в фамилии указывает на принадлежность: Митряйкин буквально значит «чей?» — сын или потомок Митряя. Это типичная модель русских фамилий на -ин/-ын, где основа оканчивается на -а или -я. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые образуются от основ на согласный, Митряйкин следует за женским типом склонения: Митряя — Митряйкин. Такое окончание часто встречается в центральных и северных губерниях России.

Географически фамилия Митряйкин редкая, но не единичная. Основные очаги бытования — Мордовия, Нижегородская и Пензенская области. В этих местах имя Дмитрий в форме Митряй было особенно употребительно, и фамилия могла закрепиться в крестьянской среде, где отчества и прозвища переходили в фамилии позже, чем у дворянства — в XVIII–XIX веках.

Спорных версий происхождения у фамилии немного. Иногда Митряй ошибочно связывают с тюркским корнем «митр» или с греческим «митра» (головной убор), но это натяжки: все без исключения документальные записи (по переписям, метрическим книгам) выводят фамилию от Дмитрия. Фонетически «Митряй» — естественное для русского языка стяжение: Дмитрий → Митря (выпадение начального «д» и смягчение) → Митряй.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, Митряйкин стоит в одном ряду с Митяевым, Митюковым, Митрофановым (от другого имени, но с похожим звучанием). Однако Митряйкин выделяется редким суффиксом -яйкин, который делает фамилию более «говорящей» о диалектной основе. Предки носителя этой фамилии, скорее всего, были крестьянами или мещанами из регионов, где имя Дмитрий в быту звучало именно как Митряй.