Фамилия Гамалея — редкий случай, когда прозвище перешло в фамилию практически без изменений, без типичных русских суффиксов -ов, -ин или -ский. Она застыла в форме, характерной для украинских и польских фамилий на -ей, -ай, -яй. В основе лежит украинское слово «гамалій» или польское «hamal», восходящее к турецкому «hamal» — носильщик, грузчик. В языке запорожских казаков «гамалієм» называли дюжего, сильного человека, способного таскать тяжести. Таким образом, первый носитель фамилии, скорее всего, получил прозвище за физическую силу или род занятий, связанный с переноской грузов.

Есть и другая, менее убедительная версия — от греческого имени Гамалиил (в переводе «награда Божья»), которое через церковную среду могло трансформироваться в просторечное Гамалей. Однако против этого говорит география фамилии: она густо распространена на Левобережной Украине и в бывших казачьих областях России (Черниговщина, Полтавщина, Курская губерния), где тюркские заимствования были обычным делом, а греческие имена — редкостью. Филолог Б. Унбегаун в своем словаре русских фамилий уверенно относит Гамалею к украинским фамилиям, образованным от прозвищ, связанных с профессией или характерным признаком.

Интересная деталь: в XVIII-XIX веках эта фамилия встречается не только у крестьян и казаков, но и у потомков казацкой старшины, получивших дворянство. Самый известный носитель — врач и микробиолог Николай Гамалея (сподвижник Мечникова), но его род происходил из малороссийского шляхетства, что говорит о социальной мобильности: прозвище грузчика не помешало потомкам стать учеными и офицерами. С точки зрения словообразования, фамилия стоит особняком: суффикс -ея здесь не уменьшительный и не патронимический, а скорее показатель украинской адаптации тюркского корня.