Фамилия Дымаев — один из тех случаев, когда прозвище, лёгшее в основу, почти наверняка связано с внешностью, характером или бытовой деталью, а не с профессией. Корень здесь — «дым», и первое, что приходит в голову: предка могли прозвать Дымом за смуглый цвет лица, за привычку курить или за то, что он жил в курной избе (такие топились «по-чёрному», без трубы, и внутри постоянно стоял дым). Впрочем, в говорах слово «дым» имело и переносное значение — так могли назвать вспыльчивого, «горячего» человека, который легко заводится с пол-оборота.

Модель образования простая и типичная для русских фамилий: суффикс -ев присоединился к основе Дымай. Второй элемент — это не суффикс, а окончание древней краткой формы притяжательного прилагательного. Исходное прозвище Дымай — это, скорее всего, усечённая форма от Дым, образованная по той же модели, что и Гуляй от Гуля, Шугай от Шуга. В русской ономастике такие формы не редкость: они звучали ласкательно или, наоборот, иронично, с оттенком простонародной фамильярности.

Географически фамилия Дымаев встречается не повсеместно, а тяготеет к южнорусским и поволжским областям. Встречается в архивных записях по Воронежской, Саратовской и Астраханской губерниям. Это косвенно подтверждает бытовую версию: в южных регионах курные избы держались дольше, чем на севере, где раньше перешли на белые печи. Кроме того, в тех же местах «дымарями» называли не только людей, но и особый вид плуга, но для фамилии эта версия маловероятна — слишком узкое и позднее значение.

Нельзя исключать и тюркский след. Фамилия могла возникнуть на стыке культур, особенно в районах, где русские соседствовали с татарами или башкирами. В тюркских языках есть слово «дым» (dym) — «туман», «мгла», а также личное имя Дымай как вариант имени Дим (ср. татарское Дим, от арабского «вера»). Но для русской фамилии Дымаев тюркская версия — вторичная: суффикс -ев типично русский, а не тюркский, и если бы основа была заимствована, её бы адаптировали иначе. Более правдоподобно, что в отдельных семьях фамилия просто совпала по звучанию, а корни у неё разные.

В дореволюционных списках Дымаевы — почти всегда крестьяне или мещане. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что тоже говорит в пользу прозвищного, бытового происхождения. Фамилия не редкая, но и не массовая: по переписи конца XIX века её носило несколько сотен человек, разбросанных по югу России. Сегодня Дымаевы живут в основном в России и на Украине, встречаются в Казахстане — следствие переселенческих волн.