Фамилия Буртаев образована от прозвища или имени Буртай, а оно, скорее всего, восходит к этнониму «буртасы». Буртасы — древний народ, живший в Среднем Поволжье (территория современных Пензенской, Ульяновской, Саратовской областей) в I–II тысячелетиях н. э. Их упоминают арабские и персидские географы IX–X веков, а позже — русские летописи. Считается, что буртасы были тюркоязычными и исчезли как отдельная группа, частично растворившись среди татар, чувашей и мордвы. Человек, получивший прозвище Буртай, мог быть выходцем из этой среды, либо его так дразнили за внешность или обычаи, напоминавшие буртасов.

Вторая версия, менее распространённая, выводит Буртая из тюркского слова «бурт» — «волк» (в некоторых диалектах). Волк — тотемное животное у тюркских народов, и имя-оберег Буртай могло защищать ребёнка от злых сил. Однако прямых лингвистических параллелей с современными тюркскими языками мало, поэтому связь с буртасами надёжнее.

Фамилия образована по стандартной русской модели: к основе Буртай добавили патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного). Это значит, что родоначальника звали Буртай, а его потомки стали Буртаевыми. Суффикс указывает на русское оформление фамилии, хотя корень явно не славянский. Географически фамилия встречается в основном в Поволжье и на Урале — в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской области, что подтверждает её восточное происхождение. В документах XVII–XVIII веков можно найти служилых татар и новокрещёных с такой фамилией, но массовая фиксация началась позже, в XIX веке.

Среди носителей фамилии нет широко известных исторических личностей, но это не делает её менее интересной. Она — живое свидетельство контактов славянского и тюркского миров, давно забытого народа буртасов и старых прозвищных традиций.