Фамилия Косовай — одна из тех, что ставит перед исследователем загадку уже на уровне произношения. Ударение в ней, скорее всего, падает на последний слог: Косова́й. Это сразу наводит на мысль, что перед нами не классическая русская фамилия на -ов/-ев, а скорее украинская или белорусская модель с суффиксом -ай, который часто встречается в прозвищах (например, Бородай, Гуляй).

Корень «кос-» в славянских фамилиях многозначен. Самая очевидная версия — связь с прозвищем Косой. Однако форма «Косовай» необычна: в ней появляется соединительное «-ва-», которое может указывать на сложносоставное происхождение. В украинском языке «коса» — не только волосы и сельскохозяйственное орудие, но и песчаная отмель на реке. Поэтому Косоваем могли прозвать человека, жившего на такой косе, или того, кто косил траву. Но есть и более редкая гипотеза: фамилия могла возникнуть из тюркского прозвища, где «кос» означает «парный» или «ровный», а «вай» — междометие или часть имени. Впрочем, эта версия слабая, так как для тюркских фамилий такой суффикс нетипичен.

С географической точки зрения фамилия Косовай встречается в основном на западе Украины, особенно в Волынской и Ровенской областях, а также среди потомков переселенцев в Сибири и на Дальнем Востоке. Это подтверждает её западнославянскую или украинскую природу. В дореволюционных переписях носители фамилии чаще всего числились крестьянами или мещанами, без привязки к дворянству.

Если сравнивать Косовай с однокоренными фамилиями — Косой, Косов, Косарев, — то она выделяется именно суффиксом. В отличие от патронимических Косовых (сын Косого) или профессиональных Косаревых (сын косаря), Косовай — это прямое прозвище, которое закрепилось без изменений. Такие фамилии в народной среде часто давали за яркую внешность или поведение: косоглазие, кривую походку или привычку косить глазами.

Таким образом, фамилия Косовай — скорее всего, украинское прозвище, которое либо описывало внешность предка (косой), либо его занятие (косец), либо место жительства (на речной косе). Точный смысл утрачен, но модель образования указывает на юго-западные земли бывшей Российской империи.