Фамилию Колодей чаще всего связывают с украинским или южнорусским словом «колодій» — так называли мастера, делавшего колёса, телеги, сани, то есть колёсника или каретника. В старых говорах «колодей» — человек, который «колодит», то есть строгает, обтёсывает деревянные заготовки для колёс. Профессия была востребованной: хороший колёсник кормил всю округу, и прозвище легко закреплялось за родом.

Фамилия образована по древней славянской модели: основа «Колод-» плюс суффикс -ей, который в украинской и белорусской традиции часто заменял русское -ей/-ей. Сравните: Коваль — Ковалей, Ткач — Ткачей. То есть Колодей — это не «сын Колода», а прямое прозвище мастера, перешедшее в фамилию без дополнительного суффикса. Такая форма характерна для западнорусских земель, особенно для Черниговщины, Полтавщины, Слобожанщины, где фамилии на -ей (-ій) встречаются густо.

Есть и вторая, более спорная версия: от слова «колода» — грубое бревно, чурбан. В этом случае прозвище Колодей могли дать человеку медлительному, неповоротливому или, наоборот, плотному, коренастому. Но для фамилии этот вариант менее убедителен: прозвища от «колоды» обычно давали в форме Колода, Колодка, а суффикс -ей скорее указывает на деятеля, то есть на того, кто работает с колодой — делает из неё что-то.

В документах фамилия встречается с XVII века: в реестрах запорожских казаков есть Колодии, в метриках Харьковской губернии — Колодеи. Написание через «е» или «і» в корне — вопрос диалекта и поздней канцелярской записи. В современной России фамилия редкая, чаще встречается на юге и в украинском пограничье.

Однокоренные фамилии — Колодяжный, Колодкин, Колодезников — все они из того же гнезда, но с разными суффиксами. Колодей стоит особняком: он сохранил прямую профессиональную форму, без «-ов» и «-ин», и потому звучит архаичнее, как живое прозвище из речи ремесленников.