Фамилия Анатольевы — одна из тех, что образованы напрямую от полной формы крестильного имени, без промежуточного прозвища. Основа здесь — имя Анатолий, а фамилия строится по простой и распространённой модели: имя плюс суффикс притяжательности -ев. Суффикс -ев (а не -ов) появляется, когда основа имени заканчивается на мягкий согласный или «й»: Анатолий → Анатольев. Таким образом, фамилия буквально означает «принадлежащий Анатолию», то есть потомок человека по имени Анатолий.

Само имя Анатолий — греческого происхождения, от слова «анатоле» (ἀνατολή), что значит «восток». В более широком смысле — «восточный», «утренний», «ясный», связанный с восходом солнца. В христианской традиции имя закрепилось благодаря нескольким святым, главный из которых — Святитель Анатолий, патриарх Константинопольский. Он родился в Александрии в IV веке, получил философское образование, а затем стал диаконом при святителе Кирилле Александрийском. Известен он ревностной борьбой за чистоту Православия. Именно этот святой считается небесным покровителем имени.

В русской традиции имя Анатолий не было крестьянским и простонародным. Вплоть до XIX века его давали в основном в среде духовенства и дворянства. Поэтому есть основания полагать, что основатель рода Анатольевых был человеком не из низов — скорее всего, из семьи священников или образованных горожан. Фамилия сохранила форму именно от полного церковного имени, а не от уменьшительного, что тоже указывает на книжную, грамотную среду её возникновения.

Географически фамилия Анатольев встречается не повсеместно. Она редкая, и её очаги — преимущественно центральные и северные регионы России, где фамилии на -ев от полных имён были типичны для духовного сословия. В южных и восточных областях, где фамилии чаще образовывались от прозвищ или уменьшительных форм, Анатольевы почти не встречаются.

О точном времени возникновения фамилии говорить сложно: процесс закрепления фамилий в России растянулся на несколько столетий. Но, учитывая редкость имени в допетровскую эпоху, можно предположить, что фамилия Анатольев оформилась не ранее XVII–XVIII веков. В любом случае, она — памятник не столько славянской письменности, сколько русской православной традиции именования: здесь греческое имя, церковное почитание и чёткая модель фамильного суффикса сошлись в одной точке.