Фамилия Митрюева — это женская форма, а её исходный мужской вариант — Митрюев. Чтобы понять происхождение, нужно разобрать основу «Митр-». С высокой вероятностью, это усечённая форма крестильного имени Дмитрий. В русской народной традиции имя Дмитрий (от греческого Деметриос — «посвящённый Деметре», богине земледелия) сокращали до Митя, а от него образовали множество производных: Митроха, Митряй, Митрюха, Митрюня. Форма Митрюй (или Митрюя) — это просторечный вариант, от которого через притяжательный суффикс -ев и возникла фамилия. Суффикс -ев, а не -ов, указывает, что основа оканчивалась на мягкий согласный или й.

Модель образования простая: Митрюй → Митрюев сын → Митрюев. Фамилия фиксирует отчество: предка звали Митрюем (ласкательное или обиходное обращение к Дмитрию). Подобных фамилий много: Митрохин, Митряев, Митрюшин — все они восходят к одному корню, но различаются по суффиксу, который указывал на конкретное прозвище или уменьшительную форму. Митрюев стоит в одном ряду с Митюковым и Митюшкиным, но встречается реже.

Географически фамилия Митрюева не привязана к какой-то одной области, но по данным современных справочников, её носители чаще встречаются в Поволжье и на юге России. Это объяснимо: имя Дмитрий было одним из самых распространённых в крестьянской среде, а его народные варианты давали начало множеству однотипных фамилий. Никакой особой сословной принадлежности у Митрюевых нет — это типичная русская фамилия, образованная от канонического имени через бытовую форму.

Есть и менее вероятная, но допустимая версия: основа «митр-» могла быть связана с греческим словом «митра» (головной убор священника). В таком случае прозвище Митрюй мог получить человек, носивший митру или имевший к ней отношение — например, церковнослужитель. Однако эта гипотеза слабее: для фамилий от названий предметов культа обычно использовались прямые формы (Митра, Митров), а не уменьшительные на -юй. Поэтому версия с именем Дмитрий остаётся основной.