Фамилия Митюхляева отвечает на вопрос «чей ты будешь?» и образована от личного имени или прозвища Митюхляй. Перед нами — характерный случай, когда народная, просторечная форма церковного имени стала основой целого рода. В основе лежит имя Митюхляй, которое в свою очередь является одним из многочисленных уменьшительных вариантов канонического имени Димитрий.

Имя Димитрий пришло на Русь вместе с христианством из Греции. В переводе с древнегреческого оно означает «принадлежащий Деметре» — богине плодородия и земледелия в античном пантеоне. Однако в крестьянской и посадской среде полное имя звучало слишком торжественно, поэтому в обиходе использовали десятки производных форм: от Дмитрия до Митяя, Митюхи и, наконец, Митюхляя. Именно такая цепочка превращений — от книжного Димитрий до живого, «домашнего» Митюхляй — и закрепилась в фамилии.

Суффикс -ляй в имени Митюхляй придает ему оттенок простонародности и даже некоторой фамильярности. Подобные формы были широко распространены в северорусских и среднерусских говорах. Скорее всего, основатель рода Митюхляевых был человеком из простого сословия — крестьянином, ремесленником или мелким служилым человеком, которого в быту звали сокращенно и по-свойски.

Фамилия построена по классической притяжательной модели: суффикс -ев присоединяется к основе, оканчивающейся на мягкий согласный или й. Первоначально форма Митюхляев означала «сын Митюхляя», «ребенок Митюхляя». Со временем указание на родство закрепилось как наследственное семейное прозвание и перешло в разряд официальных фамилий.

Женская форма Митюхляева — это не отдельная фамилия, а грамматическое отражение той же родовой принадлежности. В русской традиции, в отличие от литовской или латышской, фамилии не меняются по полу, поэтому жена и дочь носителя фамилии Митюхляев писалась точно так же, как и он сам.

Стоит отметить, что однокоренные фамилии — Митюхин, Митюшин, Митяев, Митюков — встречаются гораздо чаще. Форма Митюхляев более редкая, и в этом ее особенность: она сохранила более архаичный и локальный вариант имени, который в современном русском языке уже практически вышел из употребления.