Фамилия Костирева — женская форма от Костирев, и её разбор стоит начать с суффикса. Модель на -ев, а не на -ов, указывает, что основа оканчивалась на мягкий согласный или шипящий. В данном случае это «рь»: Костирь → Костирев → Костирева. Суффикс -ев, как и -ов, в русских фамилиях чаще всего означал принадлежность: «сын Костиря» или «из дома Костиря».

Само прозвище Костирь — нечастое, но прозрачное по смыслу. В русских говорах «костырь» (или «костирь») — это игрок в кости, азартный человек, а также, по данным словаря Даля, плут, мошенник, тот, кто обманывает в игре. Вероятнее всего, предок носителя фамилии получил такое прозвище за страсть к азартным играм или за хитрость и изворотливость. Менее популярная версия связывает прозвище с диалектным «костырь» — палка, посох, но в этом случае форма скорее была бы Костырёв, с ударным ё, а не Костирев.

Географически фамилия Костирев встречается в основном в центральных и южных регионах России, особенно в Воронежской, Ростовской, Волгоградской областях. Это косвенно подтверждает связь с южнорусскими говорами, где слово «костырь» было более употребительно. В старых документах XVII–XVIII веков можно найти упоминания казаков и крестьян с таким прозвищем, что указывает на недворянское, простонародное происхождение фамилии.

В отличие от распространённых фамилий вроде Костин или Костров, основа Костирев редкая. Она не связана с именем Константин (как Костин) и не с костром (как Костров). Это самостоятельное прозвище, которое могло превратиться в фамилию без посредничества церковного имени, что типично для прозвищной модели русского ономастикона.