Фамилия Грайченко образована по распространённой в украинской и южнорусской ономастике модели с суффиксом -енко. Этот суффикс в XVI–XVIII веках в землях Речи Посполитой и Гетманщины означал «сын» или «потомок»: Грайченко — буквально «сын Грайка» или «маленький Грай». Основа фамилии — прозвище Грайко, которое, в свою очередь, происходит от глагола «граять» (каркать, кричать по-вороньи, а в некоторых говорах — шуметь, громко смеяться или браниться). В словаре В. Даля «граять» фиксируется как южное и западное слово, означающее карканье ворон, галок, а также переносно — «громко и резко говорить».

Прозвище Грайко могли дать человеку с громким, хрипловатым или неприятным голосом, либо тому, кто постоянно шумел, скандалил или, наоборот, много и заразительно смеялся. В украинских диалектах «грай» также означает «гулянье, веселье, игра», поэтому возможна и вторая версия: Грайко — человек веселый, любитель погулять и попеть. Обе трактовки не противоречат друг другу: прозвища часто строились на внешних или поведенческих чертах, и в разных регионах одно и то же слово могло осмысляться по-разному.

Суффикс -енко типичен для центральной и левобережной Украины (Полтавщина, Черниговщина, Киевщина), а также для соседних областей России, куда переселялись казаки и крестьяне в XVII–XIX веках. Фамилия Грайченко встречается в документах и современных справочниках преимущественно в Украине (особенно в Черкасской и Полтавской областях) и на юге России (Краснодарский край, Ростовская область). В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще носили великорусские крестьяне, фамилии на -енко в Российской империи были маркером украинского происхождения или связи с казачьей средой.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Грай, Грайко, Граев, Грайков — показывает, что все они восходят к тому же звукоподражательному корню. При этом Грайченко — самая «молодая» по форме: она возникла, когда модель на -енко уже вытеснила старые патронимы на -ович/-евич в украинской народной среде. Никаких сведений о дворянском происхождении фамилии нет — это типичная крестьянская или казачья фамилия, которая закрепилась за родом в середине — конце XVII века.