Фамилия Капаев чаще всего восходит к татарскому имени Капай. В его основе лежит слияние двух смысловых частей: «кап» — «близкий кровный родственник» и «ай» — «месяц». Такая модель образования имени — из двух самостоятельных корней — характерна для тюркской ономастики, где второй компонент часто имеет астральное или возвышенное значение.

Но есть и другая, бытовая версия происхождения. В русских говорах слово «капа» означало «шапка», «фуражка» или «головной убор». Отсюда могло возникнуть прозвище Капай — человек, который всегда носил приметную капу, либо мастер по изготовлению головных уборов. Такие прозвища легко закреплялись за ремесленниками и торговцами.

Третья версия, хоть и менее вероятна, связывает фамилию с христианским именем Капитон. Краткая форма — Капа — дала основу для фамилии через патронимический суффикс. Само имя Капитон происходит от латинского capitonis, то есть «большеголовый». В православных святцах это имя связано с двумя святыми: священномучеником Капитоном, епископом Херсонесским, и мучеником Капитоном.

По суффиксу фамилия образована по стандартной русской модели отчества: к основе Капай или Капа прибавили -ев. Такое окончание типично для фамилий, возникших в среде, где говорили по-русски, но основа могла быть как тюркской, так и исконно русской или греческой по происхождению. Среди однокоренных встречаются фамилии Капаев, Капанов, Капитонов — все они разошлись в разные ветви от разных прозвищ и имён.

О точной географии бытования фамилии Капаев данных немного, но учитывая тюркскую версию, её носители исторически могли концентрироваться в Поволжье или Приуралье — в зоне активных русско-татарских контактов.