Фамилия Агатцев — редкая, и её разбор сразу наталкивается на кажущуюся прозрачность. Первое, что приходит в голову: связь с камнем агатом. Но в русской ономастике прямое происхождение от названия минерала маловероятно. Фамилии от названий драгоценных и полудрагоценных камней (например, Изумрудов, Алмазов) в России действительно встречаются, но они, как правило, семинарские — их давали в духовных училищах будущим священникам за благозвучие. Однако фамилия Агатцев имеет характерный суффикс -цев, который указывает на иную модель образования.

Суффикс -цев (фонетический вариант -цов) — это притяжательный суффикс, указывающий на принадлежность: «чей?» — «агатцев», то есть сын или потомок человека по прозвищу Агатец. Это отчество, образованное от прозвища или мирского имени. Само прозвище Агатец могло возникнуть в среде, где слово «агат» имело другое, бытовое значение. В южнорусских и украинских говорах «агат», «агатий» — это народное название растения, чаще всего агавы, или, по некоторым данным, так называли человека с большими, выпуклыми глазами (по аналогии с «агатовыми» глазами — твёрдыми, блестящими). Встречается и версия, что «агат» — это искажённое греческое имя Агапий (Агап) или Агафон, что в народной среде звучало как «Агат».

Таким образом, наиболее правдоподобная версия: предок носителя фамилии Агатцев был человеком по прозвищу Агатец. Прозвище могло быть связано с внешностью (глаза, похожие на агат) или с характером (твёрдый, «каменный»), либо с растением. Менее вероятно, но не исключено, что фамилия ведёт начало от имени Агат (краткая форма от Агафон), а суффикс -ев дал бы форму Агатев, но в диалектах переосмыслили как Агатец.

Географически фамилия Агатцев встречается крайне редко, единичные случаи зафиксированы на юге России и в Поволжье. Это говорит о том, что фамилия не получила широкого распространения и, скорее всего, имеет локальное, «гнездовое» происхождение — от одного конкретного рода, который и дал начало всем носителям. Сословно, скорее всего, это крестьянская или мещанская фамилия, а не дворянская или семинарская, так как суффикс -цев типичен для простонародных отчеств.