Фамилия Карой — редкий пример, когда русская по форме фамилия имеет, скорее всего, нерусское происхождение. В русском языке нет корня «кар-» в значении, которое давало бы прозвище или имя, но венгерское имя Карой (Károly, аналог Карла) звучит почти идентично. Поэтому первая и самая вероятная версия: фамилию принесли в Россию выходцы из Венгрии или австро-венгерских земель. Венгерское имя Карой переводится как «мужчина», «свободный человек», что делает фамилию по сути патронимом — «сын Кароя».

Однако есть и другая гипотеза, менее очевидная, но возможная для южнорусских и украинских регионов. Там слово «кара» (от тюркского «чёрный») могло лечь в основу прозвища — например, «Карой» называли смуглого или черноволосого человека. Но эта версия слабее: обычно тюркские основы в русских фамилиях дают формы на -ин или -ов (Карин, Каров), а окончание -ой для них нетипично.

Фамилия склоняется по образцу прилагательных (Кароя, Карою), что указывает на её позднее оформление в русской среде — возможно, в XIX веке, когда фамилии давали по имени отца или по прозвищу, но уже с русифицированным окончанием. Географически Карой встречается единично, в основном на юге России и в Поволжье, что косвенно подтверждает обе версии: и венгерское влияние (через колонистов или пленных), и тюркские контакты.

Словообразовательная модель проста: основа «кар-» плюс суффикс -ой (как в фамилиях Толстой, Благой). В отличие от типичных русских фамилий на -ов/-ев, эта модель редка и часто указывает на прозвищное происхождение или иноязычное заимствование. Наиболее правдоподобно считать, что предки носителя фамилии Карой были либо венграми (или словаками, где имя Кароль также распространено), либо получили прозвище по внешнему признаку в зоне тюркско-славянского пограничья.