Фамилия Костромеев образована от прозвища или именования по месту жительства — она указывает на человека, родом из древнего русского города Костромы. В XV–XVI веках выходцев оттуда называли «костромитинами»: слово звучало как «Костромитин» и обозначало жителя этих земель. Со временем элемент «-ит-» в фамилии исчез, а основа сократилась до «Костромей» — так на русском севере и в центральных областях могли называть переселенца. Суффикс «-еев» — типичный патронимический, указывающий на принадлежность: «чей? — Костромеев», то есть сын или потомок Костромея.

Название города Костромы, по одной из версий, связано с восточнославянским языческим персонажем — Кострома. В народных обрядах Кострома — божество весны и плодородия, которое умирало и воскресало. Её представляли в образе молодой женщины, а проводы Костромы символизировали встречу лета и начало страдных работ. Владимир Даль описывал этот обряд так: «Хоронят Кострому, топят в Оке, а где её нет, в речке или озере. Часть провожающих плачут и причитают, жалея Кострому и не давая её в обиду, прочие, с грубыми остротами, продолжают своё; спровадив Кострому, пьют и веселятся в последний раз до осени, до уборки хлеба». Эта мифологическая параллель добавляет фамилии глубину, но прямая связь с божеством необязательна: скорее всего, прозвище или фамилия закрепились именно за переселенцем из Костромы.

Словообразовательная модель Костромеев — редкая для русских фамилий. Обычно от названий городов образуют фамилии на «-ский» (Костромитинов, Костромской) или на «-ов» (Костромитинов). Здесь же мы видим суффикс «-еев», что говорит о нестандартном прозвище «Костромей». Возможно, это местная диалектная форма: в северных говорах слово «костромей» могло означать не просто жителя, а человека с определёнными чертами — например, упрямого или связанного с обрядовыми гуляньями. Однако основная, наиболее вероятная версия — географическая: предок носителя фамилии переехал из Костромы в другую область, и его прозвали по городу.

Фамилия не относится к числу распространённых. Встречается преимущественно в центральной России, особенно в бывших костромских и ярославских землях. Сословная принадлежность носителей могла быть разной: от крестьян до купцов и духовенства, но точных данных по сословиям нет. В отличие от фамилий на «-ов» или «-ин», которые часто носили крестьяне и мещане, Костромеев с редким суффиксом мог закрепиться в среде переселенцев, которые хотели сохранить память о родине.