Фамилия Катайцев довольно редкая, и её происхождение не лежит на поверхности. Первое, что бросается в глаза — суффикс -ев, который указывает на патронимическую модель: «чей?» — Катайцев, то есть сын или потомок человека по прозвищу Катаец. Основа здесь — не географическое название, а скорее всего, прозвище, связанное с глаголом «катать».

В русских говорах слово «ката́й» имело несколько значений. В южных и центральных регионах катаем называли того, кто занимался валянием валенок или катанием войлока — ремесленника-валяльщика. В других диалектах «катаем» могли прозвать непоседливого, подвижного человека, который «катается» туда-сюда, а также извозчика или ямщика. Таким образом, предок носителя фамилии мог быть либо мастером по валянию шерсти, либо возницей, либо просто человеком с живым, «катящимся» характером.

Интересна и словообразовательная особенность. Фамилия оканчивается на -цев, что встречается реже, чем стандартное -ов или -ев. Такая форма характерна для фамилий, образованных от прозвищ на -ец: Катаец → Катайцев. Если бы прозвище было просто Катай, мы бы получили Катаев. Уточнение «-ец» могло означать принадлежность к какому-то месту (житель определённой местности) или подчёркивать уменьшительно-пренебрежительный оттенок, но в данном случае, скорее, закрепилась именно форма с суффиксом, избежавшая стяжения.

Географически фамилия Катайцев встречается в основном на юге России и в Поволжье. В старых переписных книгах и ревизских сказках XIX века носители фамилии фиксировались в Воронежской, Тамбовской и Саратовской губерниях. В этих краях валяльное ремесло было развито, что делает версию о происхождении от валяльщика особенно правдоподобной. Спорная версия, связывающая фамилию с татарским словом «катай» (племя, род), не находит серьёзной поддержки у ономастов: суффикс -цев указывает на славянскую модель образования, а не на прямую тюркскую основу.