Фамилия Каталей — редкий случай, когда основа не сразу поддаётся расшифровке. В ней нет типичного русского суффикса -ов или -ин, а окончание -ей наводит на мысль о заимствовании. Скорее всего, перед нами пример адаптации иноязычного прозвища или имени на русской почве.

Наиболее вероятная версия связывает фамилию с греческим словом «каталей» (καταλεί) — «оставляю», «покидаю». В среде греческого духовенства или купцов, переселявшихся в Россию в XVII–XVIII веках, такое прозвище могло закрепиться за человеком, который остался на чужбине, «был оставлен» или, наоборот, сам покинул родину. Фамилии на -ей нередко возникали при передаче греческих или южнославянских основ без дополнительных русских суффиксов.

Менее убедительная, но возможная гипотеза — связь с тюркским «катала» (катать, сворачивать). Однако в тюркских языках слово обычно имеет активную форму (каталак, катал), а пассивное окончание -ей для них нетипично. Греческая версия выглядит предпочтительнее ещё и потому, что фамилия Каталей встречается в документах среди духовенства и купечества южных губерний — там, где исторически было сильное греческое влияние.

География фамилии узкая: основные следы ведут в Харьковскую, Екатеринославскую губернии и на Кубань. В XIX веке Каталеи записаны среди мещан и священников. Сословный состав неоднороден: встречаются как сельские дьячки, так и купцы второй гильдии.

Словообразовательная модель проста: основа Каталей стала фамилией без изменений, по тому же принципу, что и фамилии Мануйлов, Гаврилей, Пантелей — от канонических имён с греческим корнем. Разница лишь в том, что Каталей — не имя, а прозвище, перешедшее в фамилию напрямую.