Фамилия Коломаева, скорее всего, восходит к гидрониму Коломак — реке в Харьковской области. Название реки, в свою очередь, связывают с украинским диалектным словом «коломыйе» — «заполненные водой глубокие выбоины дороги». Такое прозвище, Коломай, мог получить человек, живший у реки с характерным илистым дном и топкими берегами.

Есть и другая версия: коломаем на юге России иногда называли рабочего, добывавшего каменную соль. Соль на Руси ценилась дорого, и солеварение было промыслом, который давал целые гнёзда фамилий. В этом случае прозвище относилось к роду занятий предка.

Фамилия образована по стандартной модели с суффиксом -ев, который присоединялся к основам на -й: Коломай → Коломаев. Это указывает на то, что фамилия закрепилась в среде, где господствовала великорусская (а не украинская) патронимическая традиция. Если бы фамилия осталась в украинской среде, она звучала бы как Коломак или Коломаченко.

Корень фамилии редкий, а её география, вероятно, привязана к Слобожанщине — региону, где протекает река Коломак и где пересекались украинские и русские диалекты. Встречаемость фамилии невысока, и это как раз тот случай, когда исходное прозвище не было широко распространённым, а привязано к конкретному месту или профессии.