Фамилия Аннавелиев — редкий пример, где на стыке антропонимики Востока и русского словообразования возникла конструкция, которую легко понять, но сложно отнести к какому-то одному народу. Основа здесь — женское имя Анна, но не в славянском, а в тюркском или иранском прочтении. Вторая часть «вели» восходит к арабскому «вали» (ولي) — «святой», «покровитель», «друг Бога». В мусульманской традиции это слово входит в состав многих составных имен (Валиулла, Валихан). То есть «Аннавели» — это не «Анна и Вели», а цельное мусульманское имя Аннавели (Ханнавели, Ганнавели), означающее «святой Анны» или «покровитель Анны». Встречается у народов Кавказа и Поволжья.

Русский суффикс -ев добавили уже при паспортизации, превратив имя в фамилию по модели «чей?» — Аннавелиев. Это типичный процесс для XIX–XX веков, когда носители тюркских и кавказских фамилий получали окончание -ов/-ев по образцу русских отчеств. Если бы фамилия формировалась в более ранний период, она могла бы остаться без суффикса — просто Аннавели.

Географически фамилия тяготеет к Дагестану, Азербайджану и Туркменистану, где имя Анна (Ханна, Ганна) в честь библейской Анны — матери Девы Марии — получило распространение среди мусульманских народов, особенно у туркмен. В Туркмении форма Аннавели встречается и как личное имя, и как фамилия. Носители Аннавелиевых в России — чаще всего потомки выходцев из Закавказья или Средней Азии, у которых фамилия была русифицирована при записи в советских паспортах.

Словообразовательная модель здесь необычна: основа — составное имя, где женский библейский теофорный элемент (Анна) соединился с арабским религиозным термином (вали). Суффикс -ев указывает на принадлежность (буквально «сын Аннавели»), но в русской традиции он закрепился за всеми членами рода. Это редкий случай, когда фамилия хранит сразу три культурных слоя: библейский, исламский и русский административный.