Фамилия Челогаев образована по одной из самых распространённых в русской ономастике моделей: основа плюс суффикс принадлежности -ев. Суффикс указывает на то, что фамилия происходит от личного имени или прозвища предка, которое заканчивалось на мягкий согласный или на -й. В данном случае основа — Челогай.

Корень слова «чело» в древнерусском языке означал «лоб», а в переносном смысле — «передняя часть», «начало», а также использовался в социальном контексте: «челом бить» — кланяться, просить. Прозвище Челогай могло относиться к человеку с высоким, выпуклым или широким лбом. Такие прозвища по внешним признакам были типичны для русских фамилий: Лобанов, Лбов, Челышев — все они идут от той же семантики.

Вторая, менее очевидная, но возможная версия — связь с тюркскими языками. В татарском и башкирском слово «чел» (çel) может означать «сильный», «крепкий», а суффикс -гай характерен для тюркских именований. В этом случае Челогай — адаптированное на русской почве личное имя, которое затем получило стандартный русский фамильный суффикс. Учитывая географию бытования фамилии (она встречается в Поволжье, в частности в Самарской и Оренбургской областях), версия о тюркском происхождении основы выглядит правдоподобно.

Встречается вариант написания с буквой «о» во втором слоге — Челогаев, хотя в документах XIX века можно найти и форму Челогаевъ. Редкость фамилии объясняется тем, что прозвище или имя Челогай не было массовым. Скорее всего, фамилия возникла в одном роду и распространилась по линии потомков конкретного человека.

О сословной принадлежности носителей фамилии Челогаев достоверных данных нет. Судя по региональной привязке и отсутствию в дворянских родословных книгах, предки были, вероятнее всего, государственными или помещичьими крестьянами, а позже — мещанами. Фамилия не попала в списки известных династий, но это не делает её менее ценной для семейной истории: она сохранила редкое прозвище, которое могло рассказать о внешности или происхождении основателя рода.