Фамилия Коломеев образована по продуктивной модели с суффиксом -ев, который добавлялся к основе, оканчивающейся на мягкий согласный или -й. В данном случае основа — Коломей, а суффикс указывает на принадлежность: «сын Коломея» или «человек из семьи Коломея». Сама основа, скорее всего, восходит к прозвищу Коломей, а корень здесь — тот же, что в названии города Коломыя (ныне Ивано-Франковская область Украины) или в слове «коломыйка» (народная песня и танец). Прямой географической привязки к городу нет, но прозвище Коломей могли дать выходцу из тех мест — человеку, который переселился в Великое княжество Московское или Русское государство с западнорусских земель.

Есть и другая версия, более прозаичная: «коломей» в диалектах могло означать «колоброд», «непоседа» или «человек, который всё переворачивает» (от глагола «коломесить» — месить, перемешивать). В этом случае фамилия — из прозвища по характеру. Правдоподобнее всё же первая версия: прозвища по месту жительства в XVI–XVII веках давали часто, а суффикс -ев здесь работает стандартно. Сравните с фамилиями Коломыцев (от названия города) и Коломейцев — они однокоренные и показывают ту же модель, только с другим суффиксом.

В написании фамилии возможна вариативность: в старых документах встречается как Коломеев, так и Коломеевъ с твёрдым знаком на конце, но это лишь орфографическая норма до реформы 1918 года. В современном русском языке закрепился вариант с двумя «е» — Коломеев. Фамилия редкая, в списках массовых русских фамилий не значится, но встречается в центральных и южных областях России — там, куда в XVII–XVIII веках переселялись казаки и крестьяне с Правобережной Украины. Социально фамилия, вероятно, крестьянская или казачья: дворянских родов с такой фамилией в родословных книгах не зафиксировано.