Фамилия Картакаева образована по самой распространённой в русской ономастике модели: от мужской формы на -ай через суффикс -ев. Исходная фамилия — Картакаев, женский вариант указывает на принадлежность к роду (дочь или жена Картакаева). В основе лежит прозвище или тюркское имя Картакай. Корень «карт» в тюркских языках (татарском, башкирском, казахском) означает «старый», «почтенный», «пожилой», а также «клятва» или «обет». Аффикс -кай — уменьшительно-ласкательный или указывающий на принадлежность к чему-то. Таким образом, Картакай — это «старичок» или «почтенный, уважаемый человек», возможно, ласковое прозвище старшего в роду.

Словообразовательная модель фамилии типична для русского Поволжья и Приуралья, где активно смешивались русские и тюркские антропонимы. Фамилии на -аев, -еев (от основ на -ай, -ей) — характерный признак регионов с сильным татарским или башкирским влиянием. В отличие от фамилий на -ов/-ев от полных русских имён, здесь мы имеем дело с адаптацией тюркского прозвища к русскому патронимическому суффиксу. Носители фамилии Картакаевы, скорее всего, происходят из служилых татар, крещёных татар (кряшен) или башкир, которые в XVI–XVIII веках переходили на русскую фамильную систему. Вариант с двумя «а» в корне (Картакаев, а не Кортакаев) указывает на южный или восточный диалект тюркского языка, где «а» не редуцируется.

Встречается фамилия в основном в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Челябинской областях, а также среди татарской диаспоры. Редкость фамилии (отсутствие в массовых списках) говорит о том, что родоначальник был, вероятно, незнатным человеком — рядовым общинником или ремесленником, чьё прозвище не закрепилось за широким кругом потомков. Спорных версий происхождения нет: тюркская основа очевидна, а славянская этимология (от слова «карта» или «картавый») лингвистически несостоятельна, так как суффикс -кай в русских прозвищах не встречается.