Фамилия Митюлёв звучит на слух как производная от личного имени, и это верное направление. В её основе лежит одна из народных форм православного имени Дмитрий. В русской языковой среде это имя давало десятки уменьшительных вариантов: Митя, Митюха, Митюша, Митяй, а также Митюля. Суффикс -юля характерен для ласкательно-уменьшительных прозвищ (сравните: Вася — Васюля, Коля — Колюля). Таким образом, Митюля — это «маленький Дмитрий» или просто ласковое обращение к Дмитрию в семье. Фамилия Митюлёв образовалась по стандартной модели: к основе Митюл- добавили патронимический суффикс -ёв, который указывал на принадлежность («чей?» — Митюлёв сын).

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России, особенно к бывшим Вологодской, Архангельской и Костромской губерниям. Там формы на -ёв после мягких согласных были особенно устойчивы. Встречается она и на Урале, куда переселенцы принесли её в XVII–XVIII веках. Важно не путать Митюлёва с фамилией Митюлев (без ё): написание через букву «ё» — не орфографическая прихоть, а прямое указание на ударение и произношение, которое сохранилось в говорах. Если фамилия пишется через «е», то, скорее всего, это результат советской паспортизации, когда «ё» часто заменяли на «е» из-за технических ограничений.

Версия о происхождении от прозвища Митюля, не связанного с именем, маловероятна. Слово «митюля» в диалектах не зафиксировано как самостоятельное нарицательное. Все известные случаи бытования фамилии восходят именно к имени Дмитрий. Социальный состав носителей был преимущественно крестьянским и мещанским: фамилия не встречается в родословных книгах дворянских родов, что подтверждает её «простонародное» происхождение. Иными словами, предок современного Митюлёва с большой вероятностью был крестьянином или ремесленником, которого в быту звали Митюлей, и это прозвище закрепилось за его потомками.