Фамилия Колтаева образована от мужского имени или прозвища Колтай. В русской ономастике суффикс -ев указывает на принадлежность: Колтаев — сын Колтая. Основа фамилии неоднозначна, и здесь есть простор для обсуждения, но без натяжек.

Самый вероятный корень — тюркский, от слова «кол» (рука) или «колта» (рукавица, варежка). В татарском, башкирском и других тюркских языках «колта» означало «рукавица» или «варежка». Прозвище Колтай могли дать мастеру, который шил рукавицы, или человеку, который постоянно их носил, — например, кузнецу или ямщику. Такие прозвища по ремеслу или характерной детали одежды — обычное дело в XV–XVII веках, когда активно формировались русские фамилии на территориях, граничащих с тюркскими народами.

Версия с арабским именем Колтай (от «калта» — «мешок», «кошель») менее убедительна: такое имя не зафиксировано в распространённых антропонимиконах. А вот тюркская основа хорошо ложится на историю: фамилия Колтаев (и её женская форма Колтаева) встречается в Поволжье, на Урале и в Западной Сибири — регионах, где веками шло смешение славянского и тюркского населения. Встречаются также варианты написания через «а» и «о» — Колтаев и Калтаев, что подтверждает неустойчивость гласной в безударном положении.

Сословно фамилия не маркирована: Колтаевы могли быть и крестьянами, и мещанами, и служилыми людьми. В документах XVIII–XIX веков носители фамилии фиксируются в основном как государственные крестьяне и однодворцы. Редкая фамилия — в словаре Б. Унбегауна она не упоминается, что говорит о её локальном, нестоличном бытовании.