Фамилия Карагаева восходит к тюркскому слову «карагай». В разных тюркских языках оно означает «сосна» или «вяз». Имена и прозвища, образованные от названий деревьев, в старину давали нередко — возможно, предок Карагаевых получил такое прозвище за стать или связь с лесом. Но у слова есть и другое значение: Карагай — название одного из башкирских родов (племён). Поэтому основатель рода мог носить прозвище Карагай, указывающее на его этническую принадлежность к этому роду.

Фамилия образована по стандартной русской модели с суффиксом -ев, который присоединяется к основе на мягкий согласный или й. Полная форма Карагаев — это притяжательное прилагательное, отвечающее на вопрос «чей?», то есть «сын Карагая». Женская форма Карагаева — естественное грамматическое соответствие.

Процесс закрепления фамилий у разных сословий шёл не одновременно. У тюркских народов, входивших в состав Российской империи, фамилии в современном виде часто фиксировались в XIX — начале XX века. Поэтому сказать точно, когда и где именно возник род Карагаевых, можно только по результатам конкретных генеалогических изысканий. Спорных версий происхождения у этой фамилии немного: практически все исследователи сходятся на тюркской основе «карагай», расходясь лишь в том, что именно она означала в каждом конкретном случае — дерево или родовое имя.