Фамилия Биртаев — редкий пример, где ясна словообразовательная модель, но туманна основа. Суффикс -ев указывает на русскую патронимическую форму: Биртай — это имя или прозвище, от которого пошла фамилия. Вопрос в том, что такое «Биртай».

Самый вероятный путь — тюркское происхождение. В башкирском, татарском и казахском языках имя Биртай (или Бирта) могло состоять из двух частей: «бир» (один, единый) и «тай» (жеребёнок, а в переносном смысле — молодой, крепкий, как конь). Такие составные имена с элементом «тай» («Таймас», «Кудайберды») в прошлом были распространены в Поволжье и Приуралье. Соответственно, Биртай — «единственный, как жеребёнок» или «одинокий всадник», что для кочевой среды звучало как пожелание силы и выносливости. Фамилия могла закрепиться за русским или обрусевшим потомком этого человека, когда в документах записали «Биртаев сын» — и так пошло по отцу.

Есть и менее очевидная версия — от калмыцкого «биртэ» (пёстрый, рябой). В этом случае прозвище Биртай мог получить человек с необычной внешностью или пёстрой одеждой. Однако эта гипотеза слабее, так как фамилия Биртаев почти не встречается в калмыцкой среде, зато фиксируется у башкир и татар.

Географически фамилия редкая. Основные точки — Башкортостан, Оренбургская и Челябинская области, единичные случаи в Западной Сибири. Это указывает на корни в среде башкирских или татарских крестьян, которые в XIX веке получали фамилии по отцу при переписях. Суффикс -ев, а не -ин, говорит о том, что основа оканчивалась на согласный или йот (Биртай → Биртаев).

Сословно предки Биртаевых, скорее всего, были государственными или ясачными крестьянами, реже — казаками. Дворянских родов с такой фамилией в гербовниках нет. Встречается написание с одной «т» (Биртаев) и с двумя (Бирттаев) — второй вариант, вероятно, поздняя ошибка переписчика, так как удвоение не несёт смысловой нагрузки в тюркских корнях.