Фамилия Дехтерева — это женская форма, а её мужской вариант Дехтерев. В основе лежит прозвище Дехтярь, которое давали человеку по роду занятий. Дехтярь — это диалектный вариант слова «дегтярь», то есть человек, который добывал или продавал дёготь. В старину дёготь был важным продуктом: им смазывали колёса, упряжь, пропитывали кожу и дерево, предохраняя от гниения. Мастерство дегтяря требовало особого умения выгонять смолу из берёзовой коры, и такой промысел был распространён во многих лесных регионах.

Однако в северных говорах у слова «дехтярь» было и другое значение — дятел. Если прозвище дали не по ремеслу, а по внешности или поведению, оно могло указывать на человека с длинным носом или на того, кто часто «долбил» одно и то же, например был навязчив или усидчив.

Превращение прозвища Дехтярь в фамилию Дехтерев произошло по обычной модели: к основе добавили притяжательный суффикс -ев, означающий «сын Дехтяря». А вот необычное написание с буквой Е вместо Я — результат изменения ударения. Когда ударение сместилось на первый или последний слог, гласный Я в середине слова ослабел и перешёл в Е, так появилось написание «Дехтерев», закрепившееся в документах.

В «Ономастиконе» С. Б. Веселовского есть запись: «Дегтярь (Дехтярь) Семен, пономарь, 1630 г., Курмыш». Это одно из ранних упоминаний, которое показывает, что в XVII веке прозвище уже бытовало в Среднем Поволжье, и человек, носивший его, мог быть не только ремесленником, но и церковнослужителем.