Фамилия Карталёв — редкий случай, когда за основу взято не имя и не профессия, а птица, да ещё и с неочевидным суффиксом. Корень здесь — «картал», диалектное или просторечное название крупной хищной птицы, обычно орла или стервятника. В южнорусских говорах и в украинском языке «картал» или «кортал» означало орла, иногда с оттенком «старый, матёрый орёл». Встречается это слово в записях XVII века, например, в донских казачьих документах.

Модель образования — суффикс -ёв, вариант -ев после мягкого или шипящего согласного. По схеме «прозвище + -ёв» получали фамилии от прозвищ, характеризовавших внешность, повадки или род занятий человека. Прозвище Карталь могли дать зоркому, гордому или, наоборот, хищному и жёсткому человеку. Не исключён и вариант, что прозвище закрепилось за охотником, который бил орлов, или за человеком, державшим ловчих птиц.

В отличие от фамилии Орлов, которая распространена повсеместно, Карталёв — явно региональная форма. Её ареал — юг России, Поволжье, возможно, Дон и Кубань. В центральных и северных губерниях такое прозвище было бы непонятно: там орла называли «орёл», а «картал» — южный диалектизм. Поэтому носители фамилии Карталёв, скорее всего, ведут род из казачьих или крестьянских семей чернозёмной полосы.

У фамилии есть редкая параллель — Карталов, с суффиксом -ов. Если Карталёв указывает на мягкое произношение основы (Карталь), то Карталов — на твёрдое (Картал). Оба варианта могли сосуществовать в одной местности, что не редкость для фамилий, записанных со слуха при переписях. В современном русском языке ударение в фамилии падает на последний слог: Карталёв.