Фамилия Бухирев образована от прозвища Бухирь, а оно, скорее всего, связано с диалектным словом «бухать» — издавать глухой звук, падать с шумом, а также громко говорить или кричать. В северных и сибирских говорах «бухирь» — это не только тот, кто бухает, но и название рыбы (бычок-подкаменщик, который при движении издаёт характерный звук). Менее вероятная, но возможная версия — связь с тюркским корнем «бухар» (бухарский, из Бухары), хотя для фамилии с суффиксом -ев такая основа нетипична.

Суффикс -ев указывает на притяжательное значение: «чей?» — Бухирев, то есть сын или потомок Бухиря. Модель образования классическая для русских фамилий XVI–XVII веков: к прозвищу на мягкий согласный добавлялся патронимический суффикс. Если бы прозвище звучало как Бухир, а не Бухирь, фамилия писалась бы Бухиров — но в документах встречается именно Бухирев, что подтверждает мягкую основу.

Географически фамилия привязана к северным и центральным регионам России. По данным переписей XIX века, Бухиревы чаще всего встречались в Вятской, Пермской и Вологодской губерниях — на территориях, где слово «бухирь» в значении «крикун» или «рыба» было в ходу. Вятские и пермские крестьяне нередко получали прозвища по поведению или внешности, так что предок-носитель фамилии мог быть шумным человеком или, наоборот, рыбаком, промышлявшим бычков.

В отличие от фамилий с прозрачной географической основой (типа Вяземский или Ростовцев), Бухирев — прозвищная фамилия, и её носители, скорее всего, были из крестьян или посадских людей. Дворянских родов с такой фамилией в гербовниках не зафиксировано. В современных телефонных справочниках Бухиревы рассеяны по всей России, но ядро по-прежнему сохраняется в Кировской и Пермской областях.