Фамилия Локтаева образована от мужского имени Локтей — нецерковного, прозвищного. В основе лежит слово «локоть»: так в старину могли назвать человека за какую-то особенность, связанную с этой частью тела. Например, человека с длинными руками, с негнущимся локтем после травмы или того, кто часто работал локтями — толкался, пробивался вперёд. Прозвища по частям тела в русской традиции встречаются, хотя и не так часто, как по внешности или характеру: вспомните хотя бы фамилии Носов, Губин или Локтев.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Локтаев — сын Локтая. Форма Локтай вместо Локоть возникла из-за народного произношения. В говорах слово «локоть» могло звучать как «локоть» с редукцией гласного, а уменьшительно-ласкательное или прозвищное окончание -ай дало Локтай. Сравните с фамилиями Копай (от копать), Кричай (от кричать) — такие модели типичны для северных и центральных русских говоров.

Географически фамилия Локтаева встречается в основном в Поволжье и на Урале. Перепись 1897 года фиксирует носителей в Казанской и Вятской губерниях. Это указывает на крестьянское происхождение: прозвище давали в деревне, где каждый был на виду и меткое слово прилипало быстро. Позднее, при закреплении фамилий в XVIII-XIX веках, потомки Локтая стали Локтаевыми.

Редкий вариант написания — с двумя «т» (Локтаттев) — встречается в единичных случаях и, скорее всего, результат канцелярской ошибки. В целом фамилия Локтаева не относится к числу распространённых, её носители — это потомки одного или нескольких родов из северных русских земель.