Село Новомлинськ знаходиться на правому березі річки Оскіл, нижче за течією за 5 км селища Дворічна, на протилежному березі нижче за течією за 2 км село Дворічне. Берег річки обривистий, утворює крейдяні гори.
Село постраждало внаслідок геноциду українського народу, проведеного урядом СРСР в 1932—1933 роках, кількість встановлених жертв в Петрово-Іванівці, Митрофанівці, Новомлинську, Хотинську, Дриголівці, Михайлівці — 55 людей[2].
12 червня 2020 року, відповідно до Розпорядження Кабінету Міністрів України № 725-р «Про визначення адміністративних центрів та затвердження територій територіальних громад Харківської області», увійшло до складу Дворічанської селищної громади.[3]
19 липня 2020 року, в результаті адміністративно - територіальної реформи та ліквідації Дворічанського району, село увійшло до складу Куп'янського району Харківської області.[4]
Село було окуповане російськими військами з 24 лютого 2022 року до 10 вересня 2022 року.
25 грудня 2022 року російський агресор завдав мінометних та артилерійських обстрілів в районі населеного пункту.[5]
1712 — «Новомлинськ (інакше Переволочна), указом від 9 червня 1712 року і грамотами від 11 і 30 жовтня 1718 року, село віддане Юрію Степановичу Великому Спатару, інакше Мечникову, що прийняв прізвище Мечника.»[7]
↑Кисиленко В.Ю. Огляд нововіднайдених джерел щодо уточнення початку літочислення окремих населених пунктів Слобожанщини // Слобожанщина. Погляд у минуле - 2020: збірник науково-документальних праць. — Житомир: Видавець О.О. Євенок, 2020. – С.107-116.
