Фамилия Донау — редкий для России случай, когда географическое название перешло в фамилию почти без изменений, сохранив немецкое звучание. В основе лежит немецкое название реки Дунай — Donau. Такую фамилию мог получить человек, переехавший с берегов Дуная в другую местность: переселенец из Австрии, Баварии или Венгрии, где река протекает. В немецкой ономастике фамилии по названиям рек встречаются, но Донау не принадлежит к числу массовых.

Словообразовательная модель здесь прозрачна: фамилия не имеет русского суффикса (-ов, -ин, -ский), а представляет собой чистую основу. Это указывает на позднее появление фамилии у носителей, либо на то, что её зафиксировали в документах в исходной, неадаптированной форме. В России фамилии без суффикса — редкость, чаще всего они встречаются у потомков иностранцев, переселившихся в XVIII–XIX веках, или у обрусевших немцев. Именно в среде российских немцев фамилия Донау могла сохраниться в первозданном виде.

Версия о происхождении от прозвища по внешности или характеру (например, от тюркского «дунай» — «спокойный, могучий») менее правдоподобна. Тюркские корни в фамилии без суффикса — большая редкость, а фонетика «Донау» прямо отсылает к немецкому произношению. Если искать параллели в русском языке, то фамилия Дунаев (от реки Дунай или от имени Дунай) образована по совсем другой модели — с суффиксом -ев, что типично для русских фамилий. Донау стоит особняком.

География бытования фамилии в России — преимущественно Поволжье и Западная Сибирь, регионы, куда в XVIII–XIX веках массово переселяли немецких колонистов. Встречается и на юге России, в местах, где селились выходцы из Австро-Венгерской империи. Носители фамилии Донау — это, скорее всего, потомки тех, кто когда-то покинул долину Дуная и увёз с собой лишь название родной реки.