Фамилия Дуванаев образована от прозвища или имени Дуванай. Её основа восходит к тюркскому слову «дуван» или «диван», которое в разных тюркских языках означало «совет», «собрание», «суд» или «канцелярия». В Османской империи и в государствах Средней Азии «диван» — это высший государственный совет, а также помещение для заседаний. Человек, получивший прозвище Дуванай, мог быть членом такого совета, писцом, судьёй или иметь отношение к административной работе.

Суффикс -аев указывает на тюркское происхождение фамилии. В русской адаптации он соответствует модели отчества от тюркского имени на -ай: Дуванай — сын Дуваная, то есть Дуванаев. Такая модель характерна для фамилий, возникших у татар, башкир, казахов и других тюркских народов, вошедших в состав Российской империи. Фамилия не славянская по корню, но оформилась по русскому патронимическому образцу, когда фамилии давали по отцу.

Встречается и другая этимология. В некоторых тюркских диалектах «дувана» — «бедный», «странник» или «юродивый». В таком случае Дуванай — прозвище бедняка или человека, ведущего аскетичный образ жизни. Эта версия менее вероятна, так как основное значение слова «диван» в тюркских языках — государственное учреждение, а прозвища по должности встречаются в фамилиях чаще, чем прозвища по бедности.

Фамилия Дуванаев редкая. Она встречается преимущественно в Поволжье, в Татарстане и Башкортостане, а также среди казахских родов. География бытования подтверждает тюркское происхождение: носители фамилии — потомки татарских мурз, башкирских старшин или казахов, чьи предки занимали должности в местном управлении. В дореволюционных источниках фамилия фиксируется в Оренбургской и Уфимской губерниях.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Дуванов, Дуваналиев, Диванов — показывает, что все они восходят к одному корню, но различаются по суффиксам, отражающим разные языковые традиции. Дуванаев — наиболее архаичная форма, сохранившая тюркский аффикс -ай.