Фамилия Костяев образована от имени Константин, которое в переводе с греческого означает «стойкий, постоянный». В основу фамилии легла не полная форма имени, а одна из народно-разговорных его разновидностей — Костяй. Такие формы были типичны для русской бытовой речи: отсечение конечного слога и добавление окончания -ай делало имя более простым и привычным в повседневном общении. Костяй — это не просто сокращение, а полноценное прозвищное имя, которое могло закрепиться за человеком в документах.

По словообразовательной модели фамилия относится к самому распространённому типу русских фамилий — патронимическому. Суффикс -ев указывает на принадлежность: Костяев буквально означает «сын Костяя» или «потомок Костяя». В отличие от фамилий на -ин, образованных от основ на -а/-я (например, Костин), здесь мы видим суффикс -ев, характерный для основ, оканчивающихся на мягкий согласный или йот. Кстати, фамилия Костин тоже существует и образована от другой разговорной формы — Костя, что показывает, как одно и то же имя могло дать несколько разных фамилий.

Географически фамилия Костяев не привязана к какому-то одному региону — она встречается и в центральных областях России, и в Поволжье, и на Урале. Это говорит о том, что имя Костяй было распространено повсеместно, без узкой локальной привязки. В исторических документах XVI–XVII веков встречаются упоминания крестьян и посадских людей с таким именем, однако фамилия в её современном виде закрепилась в основном после отмены крепостного права, когда массово оформлялись паспорта и переписи. Так что предки Костяевых могли быть и крестьянами, и ремесленниками, и служилыми людьми — единого сословного знаменателя здесь нет.