Фамилия Каранаева хранит память о прозвище или имени дальнего предка-мужчины. В её основе лежит древнетюркско-татарское имя Каранай, которое имеет два основных толкования. Первое — «с угрюмым лицом», где «угрюмость» понималась как серьёзность и основательность, а не хмурость. Второе значение связали с тюркским словом qyran — так называли человека, рождённого под счастливым сочетанием планет, то есть удачливого и везучего.

Имя Каранай могли дать младенцу как пожелание: чтобы мальчик вырос решительным, бойким, смелым и настойчивым. В тюркской среде такие имена-пожелания были распространены — они служили своего рода программой на жизнь. Позже, когда в русской среде закрепилась модель образования фамилий через суффикс принадлежности, от имени Каранай возникла фамилия Каранаев. Суффикс -ев указывает на то, что предка звали Каранай: буквально «Каранаев» означает «сын Караная» или «из рода Караная».

Фамилия довольно редкая. Встречается она преимущественно в Поволжье и на Урале — в регионах, где веками жили татары, башкиры и другие тюркские народы, а затем их потомки переходили в русскую культурную среду. Встречаются и варианты написания — Каранаева, Каранаевы, — но все они восходят к одному корню. В документах XVIII–XIX веков фамилия могла фиксироваться по-разному, пока не устоялась современная форма.