Фамилия Каталеев — редкий случай, где основа, скорее всего, не русская, а тюркская, но оформлена она по стандартной русской модели. Суффикс -ев указывает на принадлежность: Каталей — это прозвище или имя родоначальника, а Каталеев — буквально «сын Каталея» или «человек из рода Каталея».

Самая вероятная версия связывает основу с тюркским словом «катала» или «каталык», что в ряде языков (например, в карачаево-балкарском, кумыкском) означает «упрямец», «своенравный», «буйный». Прозвище Каталей могли дать человеку с крутым нравом, которого трудно переубедить. Менее распространённая, но допустимая гипотеза — происхождение от арабского имени Катада (название растения, акация), но в этом случае форма через «лей» маловероятна: скорее получилось бы Катадов или Катадин.

По географии фамилия тяготеет к регионам, где исторически смешивались русское и тюркское население: Поволжье, Оренбуржье, Северный Кавказ. Встречается она нечасто, и это дополнительный аргумент в пользу прозвищного, а не крестильного происхождения — массовых «служилых» фамилий от тюркских корней в этих краях было много, но Каталеев явно не вошёл в число распространённых.

Интересно, что фамилия могла писаться через «а» в первом слоге, но изредка встречается вариант «Коталеев» — он мог возникнуть под влиянием акающего произношения в южнорусских говорах. Однако нормативное написание закрепилось именно как Каталеев. Социальный статус предков определить сложно: это могли быть как однодворцы (служилые люди на южных рубежах), так и крестьяне, получившие прозвище от помещика или общины.