Фамилия Дупай — редкая, и сразу бросается в глаза её необычный для русского уха финал. В русском языке фамилии на -ай нехарактерны, если не считать украинские или белорусские формы (Ткач, Гай, Шагай). Поэтому первая и самая вероятная версия — западнославянское или балтийское происхождение.

Основа «дуп-» прозрачна: это дупло, выемка, пустота в дереве. В славянских говорах «дупа» или «дупля» могло означать не только дупло, но и яму, впадину, а также — в переносном смысле — неуклюжего или нерасторопного человека (ср. диалектное «дупляк» — глуповатый). Фамилия могла возникнуть как прозвище человека, жившего у большого дупла, либо занимавшегося бортничеством (сбором мёда диких пчёл из дупел). Бортники — древний промысел, особенно в лесистых районах Полесья и Прикарпатья, где такие прозвища были в ходу.

Суффикс -ай в фамилии — скорее всего, украинский или польский след. В украинской ономастике фамилии на -ай часто образовывались от глагольных основ: «дупати» (диал. «топать», «ступать» или, в некоторых говорах, «дуть»). Если исходить из глагола «дупати» (топать, идти тяжело), то Дупай — «тот, кто топает», «тяжело ступающий». Это правдоподобно для прозвища, данного по походке. В польском языке есть слово «dupa» (зад), но фамилия Дупай в польском контексте встречается редко и обычно связывается с тем же глагольным корнем, а не с анатомическим термином.

Географически фамилия Дупай встречается преимущественно на западе Украины (Волынь, Львовщина) и в прилегающих районах Польши. В России она единична и, скорее всего, принесена переселенцами. Вторая версия, менее вероятная, — тюркская. В тюркских языках «дуп» означает «дно», «глубина», и «дупай» могло быть топонимом (названием урочища). Но для русского уха эта версия звучит натянуто, и данных о массовом бытовании фамилии в тюркоязычной среде нет.

Сословная принадлежность предков неясна: фамилия не дворянская, не купеческая, скорее крестьянская или мещанская, что типично для прозвищ, закрепившихся в XIX веке после отмены крепостного права. В целом, Дупай — это фамилия-прозвище, связанная либо с бортничеством и дуплами, либо с манерой ходьбы, и её носители — выходцы из западных славянских земель.