Фамилия Астаьева — женская форма фамилии Астаьев, и её происхождение напрямую связано с мужским вариантом. В основе лежит, скорее всего, прозвище или нецерковное имя Астай. Чтобы понять его корни, стоит заглянуть в соседние языки и диалекты: в тюркских языках слово «аста» или «астай» может означать «медленный», «тихий», «спокойный». Такое прозвище могли дать человеку с неторопливым, флегматичным характером.

Однако есть и другая, более вероятная версия, учитывающая русскую ономастику. Фамилия могла возникнуть как вариант фамилии Остаев или Астаев через диалектное «аканье» (произношение «а» вместо «о» в безударной позиции). В таком случае основа — Остай, что является краткой формой от крестильного имени Евстафий (в народной форме Остап). Евстафий в переводе с греческого означает «устойчивый», «крепко стоящий». Имя было популярно в крестьянской и купеческой среде, особенно на юге России и в Поволжье. Соответственно, Астай — это уменьшительно-бытовая форма, а Астаьев — «сын Астая».

Суффикс -ев (вместо -ов) указывает на мягкую основу исходного прозвища или имени (Астай заканчивается на «й»). Фамилия не принадлежит к числу древних аристократических, а типична для среднего слоя: крестьян, однодворцев, мещан, получивших фамилии в XVIII–XIX веках. Географически фамилия Астаьева (и Астаев) чаще встречается в центральных и южных регионах России, а также в Сибири, куда переселенцы принесли её с собой.

В написании фамилии важно не путать её с более редкой Астафьева (от имени Астафий) или с украинской Остапенко. Спорных версий здесь немного: все гипотезы сходятся либо на тюркском прозвище, либо на народной форме православного имени, и вторая версия для русской фамилии выглядит убедительнее.