Фамилия Колоцей — редкий пример того, как исходное прозвище прошло через несколько языковых фильтров, прежде чем закрепиться в документах. Скорее всего, её основа — не прямое слово, а результат цепочки трансформаций: украинское прозвище Колодей перешло в белорусскую среду, где через форму Колодзей дало конечное Колоцей. В пользу этой версии говорит география: фамилия заметно чаще встречается именно в Белоруссии, чем в других регионах.

Если отбросить цепочку и посмотреть на корень, то значения исходного слова «колодей» раздваиваются. В одних диалектах колодей — это колесник, мастер по изготовлению и ремонту колёс. Тогда прозвище Колоцей — профессиональное, и предок носителя занимался колёсным делом, одним из ключевых ремёсел в деревне. В тульских говорах то же слово «колодей» означало поварской или стряпной нож, так что возможна и вторая версия: прозвище мог получить повар. Оба варианта правдоподобны, но первая — «колесник» — выглядит предпочтительнее, поскольку ремесленные прозвища в целом давали фамилии чаще, чем бытовые названия инструментов.

Менее вероятно, хотя и не исключено, что прозвище отражало характер. В некоторых говорах «колодей» могли применять к упрямому, несговорчивому человеку — через образ твёрдого, негнущегося колеса или грубого ножа. Но для фамилии такая мотивация вторична, так как профессиональные прозвища всегда составляли основную массу русских и белорусских фамилий.

Сама фамилия по форме — типичная белорусская модель с суффиксом -ей, который в восточнославянской антропонимии оформляет прозвища, оканчивающиеся на согласный. Аналогов много: Ковалей, Дроздей, Голубей. Колоцей стоит в том же ряду — без дополнительных патронимических суффиксов, прямо из прозвища.

С точки зрения словообразования, фамилия не получила стандартного русского окончания -ов/-ев, что тоже указывает на её западное происхождение. В белорусской ономастике такие «голые» прозвищные фамилии — обычное дело, и Колоцей среди них не исключение, а характерный пример.