Фамилия Гамай — редкий случай, когда прозвище стало фамилией почти без изменений, без типичных русских суффиксов -ов, -ин или -ский. Она застыла в форме чистой основы, что указывает на её возможное украинское или белорусское происхождение: в этих традициях фамилии на -ай не редкость (Шуляй, Бандай, Грицай). Носитель такой фамилии, скорее всего, был первым в роду, кого прозвали Гамаем.

Основа фамилии восходит к украинскому глаголу «гамати» — шуметь, кричать, галдеть. Соответственно, Гамай — это шумливый, крикливый человек, заводила или тот, кто говорит громко и без умолку. В некоторых говорах слово «гамай» могло означать суетливого, непоседливого человека. Версия с тюркским корнем (от «гамай» — смутьян, бунтарь) менее вероятна для фамилии, закрепившейся в восточнославянской среде, но полностью исключать её нельзя: в южнорусских регионах, где были контакты с татарами, такой вариант мог возникнуть.

Географически фамилия Гамай тяготеет к Левобережной Украине и югу России, особенно к Харьковской, Полтавской и Воронежской областям. Встречается она и в Беларуси, но реже. Сословно это, скорее всего, крестьянская или казацкая фамилия: прозвище давали по поведению, а не по профессии, что характерно для среды, где индивидуальные черты ценились больше, чем сословная принадлежность.

Интересно, что фамилия Гамай не имеет ничего общего с известным библейским именем Гаммай или с птицей гамаюн, хотя внешнее сходство иногда вводит в заблуждение. Это чисто бытовое, «крикливое» прозвище, которое со временем стало наследственным.