Фамилия Кайхан — редкий пример тюркской фамилии, которая почти не изменилась при переходе в русскую среду и сохранила прозрачную, но неоднозначную внутреннюю форму. Скорее всего, в её основе лежит составное имя или титул, собранный из двух тюркских корней: «кай» и «хан». Трудность в том, что слово «кай» многозначно. В одних тюркских языках оно означает «правитель» или «владыка», что делает сочетание «Кай-хан» подобием двойного титула. В других — «кай» переводится как «некоторый, иной», и тогда значение сдвигается: «иной хан» или «некий хан». Обе версии имеют право на существование, но первая выглядит логичнее для антропонима: в тюркской ономастике составные имена с компонентом «хан» (Айхан, Алпхан, Тархан) типичны, и «Кайхан» могло быть личным именем со значением «хан-правитель».

Есть и более конкретная гипотеза, связанная с этнонимикой. Слово «кай» — название одного из древних тюркских племён (кайи, кайы). В этом случае фамилия Кайхан означает «хан Кайского племени» или «хан из рода Кай». Такая модель образования имени — по племенной принадлежности плюс титул — хорошо известна у тюркских народов. Подтверждение этой версии можно найти в субэтнической группе татар-мишарей (мещеряков): у них имя Кайхан и производная фамилия Кайханов действительно фиксируются, что говорит о реальном бытовании этого антропонима в Поволжье.

Фамилия Кайхан — безсуффиксальная, то есть не получила типичного русского окончания -ов/-ев или -ин. Это указывает на то, что она могла попасть в русскую среду относительно поздно, когда фамилии уже не переоформляли по русскому образцу, или же принадлежала носителям, которые долго сохраняли тюркскую форму. С точки зрения словообразования, это редкий случай: большинство тюркских фамилий в России русифицировались, а Кайхан осталась в исходном виде.

Географию фамилии можно связать с регионами расселения татар-мишарей — Нижегородская, Рязанская, Пензенская области, а также с некоторыми районами Татарстана и Башкортостана. Встречается она и у казахов, где «Кайхан» — тоже личное имя, но там фамилия могла образоваться по другой модели (как отчество без суффикса). Спорных версий немного: иногда фамилию пытаются возвести к арабскому «кахир» (могучий) через искажение, но это фонетически натянуто и не подтверждается источниками.