Фамилия Барнаев образована от прозвища или нецерковного имени Барнай. Основа здесь — тюркское слово «бар» со значением «есть, имеется», а аффикс -най характерен для многих тюркских имен (сравните Алтай, Калтай, Болтай). Буквально Барнай можно перевести как «богатый, достаточный» или «удачливый» — то есть человек, у которого всё есть. Такие имена в прошлом давали с пожеланием благополучия.

Суффикс -ев указывает на русскую модель образования фамилий от тюркских основ. В XVI–XVII веках, когда русское государство активно осваивало Поволжье и Приуралье, многие татары, башкиры и другие народы переходили на русскую службу или крестились, и их имена адаптировались через отчества: «сын Барная» — Барнаев. Фамилия закрепилась в среде служилых татар и крещёных инородцев.

Географически фамилия Барнаев наиболее распространена в Поволжье — в Татарстане, Башкортостане, Самарской и Оренбургской областях, а также в Удмуртии. Встречается она и среди калмыков, но там её происхождение может быть иным: калмыцкое «барн» означает «тигр», и Барнаев могло означать «тигриный, похожий на тигра». Однако для основной массы носителей более вероятна первая, тюркская версия.

Советский ономатолог А. Суперанская относила фамилии с основой на -най к древнему пласту тюркских имен, которые не имели прямой связи с профессией или внешностью, а несли символический смысл. В словаре Веселовского «Ономастикон» упоминается Барнаш — древнерусское имя, возможно, того же корня, что подтверждает давнее бытование этой основы.

Таким образом, предки современных Барнаевых — скорее всего, люди, которых в тюркской среде называли «счастливчиками» или «обеспеченными». Никакого отношения к городу Барнаулу фамилия не имеет: город получил название от реки Барнаулка, а та — от тюркского «боронуул» («волчья река»). Это разные корни.