Фамилия Катараевых — редкий случай, когда на первый план выходит не корень, а суффикс, который многое говорит о происхождении. Перед нами не типичное -ов или -ин, а -аев, что характерно для фамилий, образованных от тюркских или восточных основ. В русском языке суффикс -аев часто появлялся при адаптации слов, оканчивающихся на «ай» или «а»: так возникли фамилии Каратаев, Алтаев, Асаев. Катараевых, скорее всего, образовали от прозвища или имени Катарай.

Самая вероятная основа — тюркское слово «катар» или «катара». В ряде тюркских языков «катар» означает «ряд», «череду» или «вереницу» (например, караван). Прозвище Катарай могли дать человеку, который водил караваны, сопровождал обозы или жил в месте, где часто проходили вереницы повозок. Менее распространённая, но возможная версия — связь с арабским «катара» (капать, стекать), но в русской ономастике такое встречается редко, и тюркский след выглядит убедительнее.

Географически фамилия тяготеет к Поволжью и Приуралью, где исторически смешивались русские и тюркские народы. Катараевы могли быть крещёными татарами, башкирами или чувашами, чьи предки получили фамилию по прозвищу при переходе в православие. Встречаемость фамилии невысокая, что подтверждает её локальный характер: она не разошлась широко по стране, а закрепилась в конкретных селениях.

Сравнение с однокоренными фамилиями даёт дополнительную подсказку. Если есть Катараевы, то логично предположить и Катаровы (от той же основы, но с другим суффиксом), однако на практике такие варианты единичны. Это говорит о том, что фамилия образовалась не от готового тюркского имени, а от прозвища, которое в русской среде получило суффикс -аев как типовой маркер. Никаких сведений о дворянском происхождении или принадлежности к известным родам у Катараевых нет — скорее всего, это крестьянская или мещанская фамилия, возникшая в XVIII–XIX веках при массовом закреплении фамилий за податными сословиями.