Фамилия Картаев происходит от прозвища Картай. В его основе, скорее всего, лежит турецкое слово kart — «старый, пожилой». Так могли прозвать самого старшего мужчину в роду или уважаемого аксакала в селении. Прозвище закреплялось за главой семьи или старейшиной, указывая на его возраст и статус.

Модель образования фамилии типична для русской ономастики: к основе Картай добавили патронимический суффикс -ев, который указывал на принадлежность («чей?» — сын Картая). По такому же принципу появились фамилии Алтаев, Толмачев, Каратаев, где основа заимствована из тюркских языков, а суффикс — русский.

Менее вероятная, но существующая версия связывает прозвище с глаголом «картавить» — говорить невнятно, шепелявить. В этом случае Картаем могли назвать человека с дефектом речи. Однако эта гипотеза слабее: глагол в русском языке имеет скорее негативный оттенок и реже становился основой для уважительного прозвища, чем обозначение старшинства.

Фамилия Картаев встречается преимущественно в Поволжье и на Урале — в регионах, где веками соседствовали русские и тюркские народы. Это подтверждает связь с тюркским корнем. Сословного барьера у фамилии не было: её могли носить и крестьяне, и купцы, и служилые люди. Точных дат возникновения не сохранилось, но, как и большинство русских фамилий на -ев, она оформилась в XV–XVII веках.