Фамилия Ковылев образована от прозвища или мирского имени Ковыль. В основе лежит название степного злака — ковыля. Такие «растительные» прозвища в русской деревне давали не столько за внешнее сходство, сколько за особенности характера или быта: ковылем могли назвать сухощавого, высокого человека, либо того, кто жил в ковыльной степи, занимался сенокосом или пас скот на таких землях. Возможна ироническая подоплека — прозвище мог получить медлительный, «колышущийся» человек.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: суффикс -ев- указывает на принадлежность («чей?» — сын Ковыля). Написание через «ы» (Ковылев, а не Ковелев) сохраняет корневую гласную исходного слова. Встречается и вариант Ковылёв с ударением на последний слог, но он менее распространен.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и поволжским областям — регионам, где ковыль был обычной частью ландшафта. В дореволюционных переписях носители фамилии фиксировались в Воронежской, Саратовской, Тамбовской губерниях. Это указывает на крестьянское происхождение: в среде дворянства и духовенства «травяные» фамилии встречались редко.

Существует гипотеза, связывающая фамилию с диалектным глаголом «ковылять» — ходить вразвалку, прихрамывая. Такое объяснение менее вероятно: глагол образует фамилии через основу ковыл- (Ковылин, Ковыляев), а форма Ковылев прямо указывает на имя существительное. Тем не менее, в устной народной этимологии оба значения могли смешиваться.

В отличие от фамилий Ковылин или Ковыльников, Ковылев — более «прямая» патронимическая форма, без дополнительных суффиксов, что говорит о ее раннем закреплении (XVII–XVIII века). В современной России фамилия остается редкой, но встречается устойчиво, без резкого сокращения числа носителей.