Фамилия Коротылев образована от прозвища Коротыль или Коротыля. В основе лежит прилагательное «короткий», но суффикс -ыль встречается в русских прозвищах нечасто. Скорее всего, так называли человека невысокого роста или с какой-то иной заметной «укороченной» чертой — например, с короткой ногой или рукой. Суффикс -ыль придаёт прозвищу оттенок ироничной ласкательности, как в словах «копыто» или «мотыль», поэтому прозвище могло быть не обидным, а бытовым.

Фамилия стоит в ряду однокоренных: Коротков, Коротких, Коротченко, Коротышев. Но Коротылев выделяется именно суффиксом -ылев, который указывает на патронимическое происхождение: «чей?» — Коротылев, то есть сын Коротыля. Такая модель характерна для северных и центральных русских говоров, где прозвища на -ыль встречаются чаще, чем на юге.

В документах фамилия фиксируется с XVII века. В Переписной книге Вологодского уезда 1678 года упоминается крестьянин Коротыль, что подтверждает бытование прозвища в северорусской среде. Позднее фамилия расселилась по Поволжью и Уралу — в метрических книгах XIX века Коротылевы встречаются в Саратовской, Пермской и Вятской губерниях. Это были в основном государственные крестьяне и мастеровые люди.

Вторая, менее вероятная версия связывает фамилию с диалектным словом «коротыль» — так в некоторых говорах называли короткую одежду или обрубок дерева. Если прозвище дали по предмету, то предок мог быть бондарем или плотником, работавшим с короткими чурбаками. Но большинство ономастов склоняются к антропонимическому объяснению — от прозвища по внешности.

Сегодня фамилия редкая. Её носители живут в основном в центральной России и на Урале. Написание с буквой «ё» (Коротылёв) возможно, но исторически преобладает вариант через «е» — так фиксировали фамилию в ревизских сказках XIX века.