Фамилия Балтырева — женская форма, а её основа, мужская фамилия Балтырев, образована по стандартной патронимической модели с суффиксом -ев. Этот суффикс указывает на принадлежность: Балтырев — это буквально «сын Балтыря» или «потомок человека по прозвищу Балтырь».

Ключ к происхождению — в основе «Балтыр». Здесь возможны два основных пути, причём оба ведут в тюркскую языковую среду. Первый и самый прямой: прозвище Балтырь могло произойти от тюркского слова «балта» — топор. В таком случае Балтырь — это не ремесленное прозвище «тот, кто делает топоры», а скорее прозвище по характеру или внешности: человек резкий, прямой, «рубящий сплеча», либо же крепкий, широкоплечий, как топор. В тюркских языках уменьшительная форма «балтыр» (или «балтырь») могла означать «топорик» — как ласкательное или ироничное прозвище.

Вторая версия, менее распространённая, но тоже состоятельная: связь с казахским или татарским словом «балтыр» — икра ноги. Прозвище могли дать человеку с полными, сильными ногами или, наоборот, с тонкими — «икры как тростинки». В бытовой ономастике прозвища по частям тела встречаются часто, поэтому сбрасывать эту версию со счетов не стоит.

Географически фамилия Балтырева не массовая. Она встречается в Поволжье и на Урале — в зоне активных русско-тюркских контактов. Многие носители фамилии — потомки крещёных татар, башкир или чувашей, у которых родовое прозвище перешло в фамилию при переходе в православие. В русской среде фамилия могла закрепиться и за человеком, получившим прозвище Балтырь за службу в «топорной» рати или за грубоватый нрав.

Интересная деталь: в отличие от фамилий на -ин, где основа часто заканчивается на -а/-я (Балта — Балтин), форма на -ев (Балтыр-ев) прямо указывает на то, что исходное прозвище было мужского рода и оканчивалось на мягкий согласный или -рь. Это редкий случай, когда суффикс сохраняет «чистую» патронимическую связь, не обрезая и не переделывая основу.