Фамилия Карсаев происходит от тюркского имени Карсай. Это сложное имя, и его значение складывается из двух частей: «кара» означает «черный», а также «грозный, сильный», а «сай» переводится как «славный» или «хороший». Таким образом, имя Карсай могло нести значение «черный и славный» или «грозный и хороший» — подобные составные имена были распространены в тюркской среде и часто давались с пожеланием силы и удачи.

Менее вероятная, но существующая версия связывает фамилию с татарским словом «карсак» — «низкорослый, коротышка». В этом случае прозвище Карсак могло закрепиться за человеком невысокого роста, а потом перейти в фамилию через форму Карсаев. Однако основная и более убедительная гипотеза всё же указывает на имя Карсай.

Словообразовательная модель здесь проста: к основе Карсай (или Карсак) добавился типичный русский суффикс -ев, который указывает на принадлежность: «сын Карсая». Такая модель — самая распространённая среди русских фамилий тюркского происхождения, особенно в среде потомков служилых татар и башкир.

Географически фамилия Карсаев встречается в Поволжье, на Урале и в южных регионах России — там, где исторически были сильны тюркские влияния и где оседали носители подобных имён. В отличие от многих других фамилий на -ев, здесь нет варианта на -ов, потому что основа оканчивается на мягкий звук или на «й», что и диктует суффикс -ев.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, можно вспомнить Карсаков (от той же «карсак») или Карсанов, но Карсаев стоит особняком: его основа — имя, а не прозвище, что делает фамилию скорее «патронимической», то есть указывающей на предка по имени.