Фамилия Колмаев образована по самой распространённой в русском языке модели — от прозвища или имени с помощью суффикса -ев, который присоединялся к основам на мягкий согласный или на -й. В основе лежит слово «колма» или «колмыга». В диалектах русского языка, особенно в центральных и южных областях, «колма» — это неуклюжая, грубоватая вещь или предмет, а «колмыга» — неповоротливый, медлительный человек, увалень. Таким образом, прозвище Колмай (или Колма) могли дать человеку с тяжеловесной фигурой или нерасторопному в работе.

Словообразовательная цепочка проста: прозвище Колмай → притяжательное прилагательное «Колмаев сын» → фамилия Колмаев. В отличие от фамилий на -ин, которые чаще происходят от основ на -а/-я, суффикс -ев здесь указывает на то, что исходное прозвище звучало как Колмай (с конечным -й) или Колма (но с мягким окончанием, что в диалектах давало форму Колмай). Встречается и вариант написания Колмаёв, но он редок и обычно фиксирует местное произношение с ударным окончанием.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где активно бытовали диалектные слова с корнем «колм-»: это Пензенская, Тамбовская, Рязанская области, а также Поволжье. В архивных записях XVIII–XIX веков Колмаевы встречаются среди государственных крестьян и однодворцев — то есть людей, которые не были крепостными и несли службу на южных рубежах России. Связь с тюркскими языками (например, с тюркским «колмак» — «оставаться» или «кол» — «рука») маловероятна, так как суффикс -ев и прозрачное русское диалектное значение говорят в пользу славянского происхождения.

Редкость фамилии объясняется тем, что прозвище Колмай было не слишком лестным: называть так человека могли в насмешку, и далеко не все потомки закрепили за собой такое именование. Тем не менее фамилия сохранилась и встречается в основном в центральной России, а также среди потомков переселенцев в Сибири и на Урале.