Фамилия Горчеева образована от мужского имени или прозвища Горчей. В основе лежит слово «горький» — в древнерусском языке оно имело не только вкусовое значение, но и переносное: «несчастный», «горемычный», «обиженный судьбой». Так могли прозвать человека, пережившего тяжёлую утрату, бедность или постоянные неудачи. В крестьянской среде подобные прозвища не несли оскорбления — они скорее фиксировали жизненный сценарий, который был у всех на виду.

Суффикс -еев указывает на принадлежность: Горчеев — сын Горчея. Это типичная модель русских фамилий на -ев, которые давались по отцу. В данном случае основа оканчивается на согласный «ч», поэтому появляется -ев, а не -ов.

Встречается и вариант написания Горчаев — он ближе к исходному слову «горчак» (горький на вкус, злой человек) или «горчавый» (терпкий, едкий). Но фамилия Горчеева, вероятно, закрепилась в южнорусских или поволжских говорах, где аканье и смягчение согласных давали «Горчей» вместо «Горчай».

Редкость фамилии объясняется тем, что прозвище Горчей не было популярным — слишком мрачная характеристика для постоянного именования. Чаще встречаются фамилии от «Горький» (Горьков) или «Горчак» (Горчаков). Горчеевы могли происходить из одного рода, разошедшегося по разным губерниям, или из нескольких разрозненных семей, независимо друг от друга получивших это прозвище.

В метрических книгах XIX века носители фамилии фиксировались в основном среди государственных крестьян и мещан центральных и южных губерний России. Дворянских ветвей с такой фамилией не обнаружено — она осталась в простонародной среде.