Фамилия Бухлеев — один из тех случаев, где на первый взгляд очевидная основа может ввести в заблуждение. Проще всего было бы связать её с диалектным глаголом «бухлеть» (опухать, разбухать) или существительным «бухло» (в просторечии — спиртное), но для фамилии, образованной в XVI–XVII веках, такие значения маловероятны. Скорее всего, в основе лежит прозвище Бухлей, которое восходит к южнорусскому или украинскому слову «бухлий» — полный, пухлый, тучный человек. В говорах Курской, Воронежской, Ростовской областей «бухлый» означало «рыхлый, разбухший от влаги», а применительно к человеку — «грузный, неповоротливый». Прозвище давали не столько в насмешку, сколько как бытовую характеристику внешности.

Фамилия образована по продуктивной модели: прозвище на -ей + фамильный суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого согласного). Суффикс -ей в русских прозвищах встречается реже, чем -ай или -уй, но встречается: ср. фамилии Хохлеев, Соплеев, Кислеев. Это указывает на то, что прозвище Бухлей могло бытовать в среде, где ценилась краткая, ёмкая форма — скорее в крестьянской или посадской среде, чем в дворянской.

Географически фамилия тяготеет к югу России и востоку Украины. В переписях XIX века Бухлеевы фиксируются в Воронежской губернии, а также среди казачества Области Войска Донского. В казачьей среде прозвища часто давались по внешним признакам и закреплялись в фамилиях без изменений, что подтверждает бытовое, а не книжное происхождение.

Версия о связи с тюркским корнем (например, от «бух» — пар, испарение) выглядит натянутой: в фамилии нет характерных тюркских суффиксов, а корень не образует устойчивых параллелей в татарских или башкирских фамилиях. Поэтому основная и наиболее обоснованная гипотеза — прозвище по внешности, закрепившееся в южнорусском говоре. Фамилия редкая, нетиражированная, что говорит о её локальном происхождении: предки носителей, скорее всего, жили в одном селе или станице, и фамилия не распространилась широко за пределы региона.