Фамилия Млышев — редкий случай, когда прозвище, лёгшее в основу, почти не оставило следов в литературном языке, зато хорошо сохранилось в говорах. Её корень «млыш» — диалектное, преимущественно южнорусское и украинское слово, означающее «малыш», «маленький ребёнок». В курских, орловских, воронежских говорах «млышом» называли младенца или просто невысокого, щуплого человека. Таким образом, Млышев — это буквально «сын Млыша», то есть потомок человека, которого в округе прозвали Малышом.

Суффикс -ев указывает на притяжательную модель, типичную для русских фамилий, образованных от основ на мягкий согласный или шипящий. Если бы основа звучала как «Млыш», а не «Млыш», то по правилам XVIII–XIX веков фамилия писалась бы через -ов: Млышов. Вариант Млышев закрепился именно потому, что исходное прозвище «Млыш» склонялось по мягкому типу. Интересно, что в украинской среде та же основа могла дать фамилию Млиш або Млишевський, но русский вариант с -ев — признак адаптации в великорусской антропонимической системе.

Есть и вторая, менее вероятная, но лингвистически допустимая версия: связь с глаголом «млыть» — в некоторых диалектах «млыть» означало «молоть», «тереть». Тогда «млыш» могло быть прозвищем мельника или человека, занятого перетиранием зерна. Однако эта гипотеза слабее: во-первых, для мельника в русских говорах куда типичнее прозвища Мелник, Мельник, Млынарь; во-вторых, суффикс -ыш/-иш в значении «маленькое существо» (ср. «голыш», «крепыш») продуктивнее, чем попытка образовать имя деятеля от глагола «млыть».

Географически фамилия Млышев тяготеет к югу России и востоку Украины. В дореволюционных переписях она встречается в Курской, Харьковской, Воронежской губерниях, реже — на Дону. Сословно её носители, скорее всего, были крестьянами или однодворцами: прозвища по внешним признакам или возрасту типичны для низовых слоёв, где фамилии закреплялись позже и часто прямо из уличного имени.

Если сравнивать с однокоренными, то Млышев стоит в одном ряду с Малышевым (от «малыш»), но диалектная форма «млыш» делает фамилию более редкой и географически привязанной. Никаких дворянских гербов или громких исторических личностей с этой фамилией не зафиксировано — это простая, народная фамилия, которая говорит о том, что предок был невелик ростом или, возможно, младшим в семье, и это прозвище передалось его детям как родовое имя.