Фамилия Астальцев образована по типичной русской модели с суффиксом -ев, отвечающим на вопрос «чей?». Но её корень — Астальц- — не так прост, как кажется, и именно в нём скрыта история. Наиболее правдоподобное объяснение ведёт к крестильному имени Евстафий, которое в народной речи превращалось в Астафия или Остапа. От ласкательной формы Асталя через притяжательное прилагательное возникло прозвище Асталец, а фамилия Астальцев, таким образом, означает «сын Астальца», то есть потомка человека, которого в округе звали именно так.

Менее убедительна, хотя и не исключена, связь с диалектным словом «астал» или «остал» — в некоторых говорах так могли назвать упрямого человека, «остающегося при своём», либо последнего ребёнка в семье. Однако прозвищная модель с суффиксом -ец обычно строится от личного имени, а не от нарицательного существительного в такой форме, поэтому эта версия слабее.

Географически фамилия редкая. Её фиксируют в центральных областях России — Воронежской, Тамбовской и Рязанской губерниях, то есть на территориях, где имя Астафий было традиционно распространено среди крестьян. Сословно это почти наверняка крестьянская фамилия, закрепившаяся в XVIII–XIX веках через прозвище главы семьи.

Сравнение с однокоренными фамилиями проясняет словообразовательную модель. Астахов, Астафьев, Астапенко — все они восходят к тому же имени Евстафий, но через разные суффиксы. Астальцев — более редкий вариант, сохранивший уменьшительную форму с суффиксом -ец, что и отличает его от более частотных Астафьевых и Астаховых.