Фамилия Алтай — редкий случай, когда географическое имя перешло в фамилию почти без изменений, без типичных русских суффиксов -ов или -ин. В основе лежит название Алтайских гор — обширной горной системы на юге Сибири, на стыке России, Казахстана, Монголии и Китая. Слово «Алтай» тюркского происхождения: по самой распространённой версии, оно восходит к тюркскому «алтын» — золото. Дословно «Алтай» означает «золотая гора» или «золотая земля» (алт — золото, тау/дай — гора). Такое название дали горному массиву древние тюркские племена, возможно, из-за золотоносных рек или обилия солнечного света в этих местах.

Образование фамилии Алтай могло пойти двумя путями. Первый — прозвищный: человек получил прозвище Алтай, потому что был родом с Алтая, торговал с алтайскими племенами или чем-то напоминал коренного жителя этих мест — внешностью, характером, одеждой. Прозвище закрепилось за ним и перешло к потомкам без изменений, что характерно для нерусских или поздних фамилий. Второй путь — фамилия могла быть искусственной, семинарской: в духовных училищах будущим священникам часто давали фамилии по названиям гор, рек и красивых мест. Например, семинарист из Томской губернии мог получить фамилию Алтай вместо мирской или просто по желанию начальства. В пользу этой версии говорит то, что фамилия Алтай встречается и в центральных регионах России, вдали от самой горной системы.

География фамилии подтверждает её происхождение от топонима. По данным переписей и телефонных справочников, наибольшая концентрация носителей фамилии Алтай — в Республике Алтай и Алтайском крае, а также в соседних регионах Сибири (Новосибирская, Кемеровская области). Много Алтаев среди тюркоязычных народов: алтайцев, казахов, киргизов, татар. У них фамилия часто означает прямую принадлежность к народу или месту жительства — «алтаец», «человек с Алтая». У русских же носителей фамилия почти наверняка прозвищная или семинарская, со временем утратившая связь с регионом.

Словообразовательная модель фамилии проста: основа «Алтай» без суффикса. Такие «чистые» фамилии в русском языке редки и обычно указывают на позднее оформление (XVIII–XIX века), когда фамилии давали не крестьянам, а казакам, однодворцам, священникам или представителям национальных окраин. Сравните с однокоренными фамилиями: Алтаев, Алтайский, Алтайской — все они образованы от того же корня, но с помощью разных суффиксов. Фамилия Алтай стоит особняком — она самая прямая и буквальная, без дополнительных смысловых наслоений.