Фамилия Фантилеев — редкая и с точки зрения словообразования нестандартная. В ней нет привычного отчества на -ов/-ев от полного христианского имени (как Иванов или Петров). В основе лежит имя Фантилей — одна из народных, «просторечных» форм канонического имени Феофилакт (греч. Theophylaktos — «Богом хранимый»). В русской традиции длинное и неудобное для повседневного обихода Феофилакт дробилось на множество вариантов: Филат, Фефил, Фантя, Фантилей. Последняя форма и дала фамилию.

Суффикс -еев указывает на происхождение от основы, оканчивающейся на мягкий согласный или -й: Фантилей → Фантилеев. То есть фамилия означает «сын Фантилея», «потомок Фантилея». По модели образования она абсолютно однотипна с такими фамилиями, как Андреев, Тимофеев или Матвеев, только исходное имя гораздо реже. В святцах Фантилей не значится — это чисто бытовой, разговорный вариант, который мог закрепиться в крестьянской или мещанской среде, где церковное имя сокращали до удобного в быту.

Географически фамилия Фантилеев тяготеет к центральным и южным губерниям России. В дореволюционных переписях она встречается в Тамбовской, Рязанской и Воронежской областях. Встречается и вариант Фантелеев — с тем же корнем, но с другим беглым гласным. Носители фамилии, скорее всего, были крестьянами или ремесленниками, а само имя Фантилей могло быть не только формой от Феофилакта, но и прозвищем от слова «фант» (залог, заклад) — в значении «игрок, любитель фантов». Впрочем, связь с именем Феофилакт надёжнее и подтверждается типовой суффиксальной моделью.

В современной России фамилия остаётся малочисленной. Встретить её можно скорее в сельской местности, чем в крупных городах. Единственное, что можно сказать с уверенностью: предки носителя фамилии Фантилеев носили имя Фантилей, которое уже к XIX веку стало восприниматься как фамильное прозвище, а не личное имя.