Фамилия Караева ставит перед исследователем несколько возможных путей происхождения, и выбор между ними зависит от того, на какую культурную традицию опираться. Наиболее убедительная версия связывает её с тюркско-татарским именем Карай. В XII веке оно было широко распространено среди казанских татар и означало «стань грозным, сильным, мощным» — такое имя давали мальчикам как пожелание-оберег. Сегодня носители фамилии встречаются не только у татар, но и у узбеков, азербайджанцев и русских, что говорит о давних межэтнических контактах.

Другая гипотеза выводит фамилию из прозвища Карай, образованного от славянского глагола «карать» — наказывать. В этом случае прозвище могло указывать на занятие предка: судьи, представителя княжеской власти или человека, вершившего правосудие. Такие «профессиональные» прозвища часто закреплялись за родом и переходили в фамилию.

Третья версия, тоже тюркская, отталкивается от слова «qara» — «чёрный». Прозвище Карай могли дать человеку со смуглой кожей, чёрными волосами или, напротив, за тёмные дела — например, разбойнику. В ономастике это типичный случай, когда одна и та же звуковая форма получает разные объяснения в зависимости от языковой среды.

Процесс превращения прозвища или имени в фамилию занял не одно столетие, поэтому точно определить место и время возникновения рода Караевых можно только на основании генеалогических изысканий конкретной семьи. Словообразовательная модель проста: к основе Карай добавили типичный русский суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Караев, то есть сын или потомок Карая). Женская форма Караева закрепилась по той же модели, что и у тысяч других русских фамилий тюркского происхождения.