Фамилия Немиленцев — один из тех редких случаев, когда модель образования говорит о фамилии больше, чем корень. Суффикс -ев указывает на принадлежность к отцу: Немиленцев буквально значит «сын Немильца». А вот имя или прозвище Немилец — это уже загадка.

Скорее всего, в основе лежит древнерусское нецерковное имя Немил. Такие имена с отрицательной приставкой не- (Нелюб, Некрас, Нечай) были распространены на Руси как обереги: считалось, что злые духи не позарятся на ребенка с «плохим» именем. Немил — «не милый», то есть не любимец судьбы, от беды откупленный. От имени Немил образовалась форма Немилец (с уменьшительным суффиксам -ец, как «молодец» или «купец»), а от неё — фамилия Немиленцев. Чередование м/мл (Немил — Немилец) — норма для русского языка, ср. «земля — земельный».

Версия, что фамилия произошла от прозвища Немилец, данного человеку с тяжёлым характером, менее вероятна. Ономастика знает случаи, когда прозвища, образованные от прилагательных, давали фамилии на -ов/-ев (например, Кривой — Кривцов), но имя Немил в качестве личного имени зафиксировано в актах XV–XVII веков, и цепочка «имя → отчество → фамилия» здесь надёжнее.

Географически фамилия тяготеет к центральным и южным областям России — Курской, Воронежской, Ростовской областям. Встречается она нечасто, что подтверждает её происхождение от не самого популярного имени. В XIX веке Немиленцевы были преимущественно крестьянами и мещанами, фамилия не попала в дворянские родословные книги.

Однокоренные фамилии — Немилов, Немиловский, Немильцев (с другим суффиксом) — стоят в том же смысловом ряду. Все они напоминают о древней русской традиции называть детей «от противного», чтобы уберечь от сглаза.