Фамилия Бухтуев — редкий случай, где географическая привязка почти наверняка перевешивает все остальные версии. Основа здесь — «бухта» в значении морского залива. Человек, живший на берегу бухты, мог получить прозвище Бухта, а его сын уже стал Бухтуевым. Суффикс -уев (фонетический вариант -ев после твёрдого согласного) указывает на принадлежность: «чей?» — Бухтуев, то есть «сын Бухты». Такая модель обычна для русских фамилий, образованных от прозвищ, и не несёт в себе никакой сословной окраски.

Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с диалектным словом «бухтеть» — ворчать, бормотать. В этом случае прозвище Бухтя или Бухтуй мог получить неразговорчивый или вечно недовольный человек. Однако против этой версии говорит редкость суффикса -уй в русских прозвищах: он встречается, но чаще в заимствованных или искусственных формах. Слово «бухта» как географический термин, напротив, было широко распространено в поморских и сибирских говорах, где люди селились вдоль морских побережий и крупных рек.

Фамилия явно недворянская и не духовная — в этих средах использовали другие модели (на -ский или церковные имена). Бухтуевы — это, скорее всего, потомки крестьян или рыбаков северных губерний (Архангельская, Олонецкая) или сибирских старожилов, осваивавших побережья. Встречаемость фамилии крайне низкая, и она почти не дала ответвлений. Однокоренные Бухтаев или Бухтин встречаются чаще, но именно Бухтуев сохранил более архаичную форму притяжательного падежа.

С точки зрения словообразования, фамилия стоит в ряду таких же «географических» прозвищных фамилий, как Заливов, Островов, Берегов — все они указывали на место жительства первого носителя. Разница лишь в том, что «бухта» — слово более конкретное и редкое в качестве личного прозвища, что и делает фамилию заметной среди прочих.