Фамилия Каранаев образована от мужского древнетюркско-татарского имени Каранай. Значение этого имени неоднозначно, и специалисты предлагают две основные версии. Согласно первой, имя переводится как «с угрюмым лицом», но в традиционной культуре это означало не мрачность, а серьезность, основательность. Вероятно, имя давали младенцу с пожеланием, чтобы он вырос решительным, смелым и настойчивым мужчиной. Вторая версия возводит имя Каранай к тюркскому слову qyran — «рожденный под счастливым сочетанием планет», то есть «счастливый, удачливый». Такой разброс значений характерен для многих древних тюркских имен, где внешняя характеристика могла переосмысливаться как внутреннее качество, а пожелание удачи соседствовало с описанием характера.

Фамилия Каранаев образована по стандартной русской модели с суффиксом -ев, который присоединялся к основам, оканчивающимся на -й или мягкий согласный. Таким образом, потомок человека по имени Каранай получал фамилию Каранаев. Эта фамилия — типичный пример патронимической фамилии, распространенной в среде татар, башкир и других тюркских народов, входивших в состав Российской империи. Встречается она преимущественно в Поволжье и на Урале, что подтверждает ее восточное происхождение. В отличие от многих фамилий, у Каранаева нет сложной сословной истории — ее носителями были в основном крестьяне и мещане, для которых имя Каранай было привычным родовым именем.