Фамилия Карагайчева женского рода, мужской вариант — Карагайчев. В основе фамилии лежит не имя и не профессия, а географический объект, что встречается реже, чем прозвища по занятиям или внешности. Корень «карагай» — тюркское слово, распространённое в языках народов Поволжья, Урала и Сибири. У башкир, татар, казахов «карагай» означает сосну, иногда — сосновый лес. Буквально «кара» — чёрный, тёмный, «агай» (в разных произношениях) — дерево, лес. Получается «тёмный лес», «сосновый бор». В топонимике России немало населённых пунктов с названием Карагай, Карагайка, Карагайлы — от Башкирии до Алтайского края.

Фамилия образована с помощью суффикса -ев, который в русской ономастике крепится к основам на мягкий согласный или -й. В данном случае исходная форма — Карагай — скорее всего, название села или урочища. Человек, переселившийся из такого места, получал прозвище Карагай, а его потомки становились Карагайчевыми. Суффикс -чев мог возникнуть из-за адаптации тюркской основы к русской словообразовательной модели: Карагай → Карагаев → Карагайчев (с усилением за счёт -ч-). Это нередкий путь для фамилий из тюркских топонимов, когда исходное название заканчивалось на -ай, -ей.

Сословная принадлежность предков Карагайчевых могла быть разной. Если основа — топоним, то носителями фамилии становились крестьяне или служилые люди, переселённые из одного региона в другой. В документах XVII–XVIII веков такие фамилии встречаются среди казанских и уфимских татар, башкир, а также русских, живших по соседству с тюркскими народами. Второй возможный, но менее вероятный вариант — прозвище Карагай («сосна») давали человеку высокому, стройному или мрачному. Однако в этом случае фамилия скорее осталась бы Карагаевым, без вставного -ч-.

Однокоренные фамилии — Карагаев, Караганов, Карагайкин. Первая из них самая распространённая, вторая восходит к имени Караган (тюрк. «караган» — кустарник, карагана). Карагайчева — более редкий вариант, указывающий на конкретную географическую точку, откуда пошёл род. Если искать следы в современных справочниках, фамилия встречается в Башкортостане, Челябинской и Оренбургской областях, что подтверждает её урало-поволжское происхождение.