Фамилия Агатеева — редкий случай, когда в основе лежит не каноническое имя, а его народная, «домашняя» форма. В церковных святцах есть мужское имя Агапий (от греческого «агапе» — любовь), но в быту оно часто превращалось в Агат, Агата. Именно от этих сокращённых вариантов и пошла фамилия: Агат → Агатеев. Суффикс -ев указывает на принадлежность: «сын Агатея», то есть потомок человека по имени Агатей (производное от Агата).

Женское окончание -а в фамилии Агатеева не должно сбивать с толку: это форма, закреплённая за женщиной или семьёй в документах (например, «вдова Агатеева»), а в мужском роде фамилия звучит как Агатеев. Такая особенность встречается в южнорусских и украинских говорах, где фамилии на -ев/-ов нередко склонялись по женскому типу в бытовой речи.

Словообразовательная модель проста: основа Агат- + суффикс -еев. Двойной суффикс (-е- + -ев) возник из-за того, что имя Агатей уже имело окончание -ей, которое при образовании фамилии перешло в -еев. Это типично для русских фамилий от имён на -ей (ср. Андреев от Андрей, Матвеев от Матвей).

Версия о происхождении от женского имени Агата (католического, от греческого «агатос» — хороший) маловероятна: женские имена редко становились основой для русских фамилий, если только речь не идёт о матронимах (по матери), но в данном случае нет исторических подтверждений.

Географически фамилия Агатеева встречается точечно, преимущественно в Центральной России и Поволжье. Носители, скорее всего, происходят из крестьянской или мещанской среды — такие фамилии от народных форм имён были распространены именно среди непривилегированных сословий. Дворянских родов с этой фамилией не зафиксировано.

Сложность в этимологии минимальна: спорных версий нет. Единственное, что может сбить с толку, — путаница с фамилией Агатова (от греческого «агат» — камень), но Агатеева к минералам отношения не имеет. Это чисто антропонимическая фамилия, образованная от имени, а не от предмета.