Фамилия Костьев образована от прозвища или нецерковного имени Кость — варианта слова «кость». В русской ономастике это нередкая модель: прозвища по частям тела или физическим особенностям давали людям с заметной внешностью. Костьем могли назвать очень худого, костлявого человека, либо того, кто отличался крепостью и твёрдостью характера — «человек-кость», несгибаемый. В некоторых говорах «кость» означала также скупость, прижимистость, но эта версия менее вероятна: чаще прозвища с таким корнем описывали внешность.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Костьев — сын Костя. Фамилия относится к патронимическому типу, самому распространённому в русской среде. Ударение, скорее всего, падает на первый слог: Ко́стьев. Встречается и вариант Костье́в, но он менее органичен для этой модели.

Интересная деталь: фамилия Костьев встречается реже, чем однокоренные Костин, Костюков, Костяев. Причина — в основе. Слово «кость» в роли прозвища звучало жёстко, почти обидно, поэтому в крестьянской среде его давали неохотно. Костьев чаще фиксируется в южнорусских и украинских регионах, где говоры допускали окончание -ев в патронимах от основ на мягкий согласный. В северных и центральных областях предпочли бы форму Костин.

В дореволюционных переписях фамилия встречается спорадически. В «Ономастиконе» С. Б. Веселовского упоминаний Костьевых нет, что косвенно подтверждает её позднее оформление — скорее всего, в XVIII–XIX веках, когда фамилии массово закреплялись за бывшими государственными крестьянами и однодворцами. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.

Известных исторических носителей с фамилией Костьев нет — это рядовая, но выразительная фамилия, сохранившая в себе прямое, почти телесное прозвище предка.