Фамилия Летяева в своей основе имеет глагол «лететь» или производное от него прозвище. Это одна из тех русских фамилий, где суффикс -ев указывает на принадлежность: Летяй — так могли называть человека, и его потомки стали Летяевыми. В отличие от более распространённых вариантов вроде Летов или Летаев, форма Летяев встречается реже и чаще фиксируется в центральных и южнорусских областях.

Прозвище Летяй в старину вовсе не обязательно означало быстроту или лёгкость. Скорее всего, его давали человеку непоседливому, ветреному, тому, кто «летает» от дела к делу или часто меняет место жительства. В говорах слово «летяга» могло относиться к белке-летяге, а «летяй» — к суетливому, подвижному человеку. Встречается и ироничное значение: так могли прозвать мечтателя, витающего в облаках.

Словообразовательная модель проста: основа Летя- (от «лететь» через суффикс -яй, характерный для прозвищ) плюс патронимический суффикс -ев. Буква «я» в корне отличает фамилию от более очевидного Летов (от «лето») или Летаев (от «летать»). Это указывает на диалектную или разговорную форму: «летяй» — тот, кто летает, а не просто летит.

В исторических документах фамилия прослеживается с XVII века. В переписных книгах Воронежского уезда 1670-х годов упоминаются крестьяне Летяевы. Позже фамилия встречается в Тамбовской и Рязанской губерниях, что подтверждает её южнорусское происхождение. Среди дворянских родов Летяевы не значатся — фамилия оставалась преимущественно крестьянской и мещанской.

Сравнение с однокоренными фамилиями показывает, что Летяев — не единственный вариант. Встречаются Летягин (от «летяга»), Летунов, Летучий. Но именно форма с -ев указывает на прозвище, а не на профессиональное занятие (как, например, Летчик — фамилия искусственная, из советского времени).