Фамилия Кирей образована от просторечной формы имени Кирилл. Имя это греческое, в переводе означает «маленький господин». В русских говорах имя Кирилл нередко сокращали до Кирей, и это сокращение со временем закрепилось как фамилия — без каких-либо суффиксов, в чистом виде. Такая модель образования встречается реже, чем фамилии на -ов или -ин, и указывает на то, что предка звали просто Кирей, а его дети и внуки стали носить это прозвище или неканоническое имя как родовое.

Поскольку фамилия не содержит типичного «владельческого» суффикса, она могла закрепиться в среде, где фамилии ещё не были окончательно оформлены по стандарту XIX века. Чаще всего подобные бессуффиксные фамилии встречались на юге России, в Белоруссии и на Украине — в тех регионах, где церковнославянские полные формы имён уступали место народным, бытовым вариантам. В ономастике такую модель называют «усечённой» или «полуименной»: от основы имени отбрасывали окончание, и она становилась фамилией.

С точки зрения словообразования фамилия Кирей стоит в одном ряду с такими же краткими формами, как Макей (от Максим), Демей (от Демьян), Тишей (от Тихон). Все они — живые свидетельства того, как в повседневной речи имя сокращали до одного-двух слогов, а затем это сокращение становилось фамилией целого рода.

География фамилии неоднородна. Кирей встречается и у русских, и у украинцев, и у белорусов. В некоторых случаях её могли записать с окончанием -ей вместо -ий, что отражает местное произношение: в южнорусских и украинских говорах имя Кирилл произносили как «Кирей» или «Кирий». Поэтому фамилия может быть не только прямой производной от имени, но и фонетическим вариантом, закреплённым в документах.

Версия о происхождении от греческого «маленький господин» — основная и наиболее правдоподобная. Альтернативные гипотезы (например, связь с тюркским словом «кирей» — «чёрный», или с названием народа кереи) выглядят слабыми: они не подтверждаются ни ареалом бытования фамилии, ни типичной для русских фамилий словообразовательной моделью. Если бы основа была тюркской, фамилия скорее получила бы суффикс -ев или -ов, а не сохранилась в чистом виде.