Фамилия Новомлинская принадлежит к старинному пласту русских семейных именований, образованных от географических названий или прозвищ, связанных с местом жительства. В основе фамилии лежит прозвище Новомлин, которое восходит к двум словам: прилагательному «новый» и существительному «млын» — так в южных и западных русских говорах, а также в украинском и белорусском языках называли мельницу. Чередование «и» и «ы» в корне — результат исторических процессов развития языка, поэтому в одном регионе могли говорить «млин», а в другом — «млын». Таким образом, прозвище Новомлин получал человек, который жил у недавно построенной мельницы или работал на ней. Следовательно, основатель рода Новомлинских, вероятно, был мельником при новой мельнице — занятие по тем временам уважаемое и доходное, ведь мельник всегда был на виду у всей округи.

Суффикс «-ск-» в фамилии указывает на ее происхождение от топонима или прозвища, оформленного по модели, типичной для дворянских и церковных фамилий, а также для фамилий, возникших в среде казачества и духовенства. Однако не стоит думать, что все Новомлинские — потомки знати. Часто такой суффикс добавляли крестьянам, переселенным из деревни с названием Новая Мельница или Новомлинка, — такие поселения встречались по всей южной России и на Украине. Фамилия закрепилась за потомками человека, которого в документах записали как «Новомлинский» — то есть выходец из Новомлина или сын Новомлина.

Процесс формирования фамилий в России был длительным и неравномерным. Крестьянские семьи массово получали постоянные фамилии лишь после отмены крепостного права в 1861 году, когда понадобилось учитывать население для налогов и воинской повинности. Поэтому окончательно говорить о точном месте и времени возникновения рода Новомлинских можно лишь на основании генеалогических исследований — архивных записей о рождении, браке и переписях. Тем не менее, сама фамилия сохранила память о предке, который выбрал или получил место у новой мельницы, и эта деталь делает ее не просто набором букв, а указателем на конкретное занятие и быт русской деревни прошлых веков.