Фамилия Локтаевы образована от прозвища, в основе которого лежит диалектное слово «локта́й». В северных и сибирских говорах так называли неуклюжего, неповоротливого человека — того, кто «ходит локтями вперёд», задевает всех. Версия о происхождении от названия реки Локта или топонима Локтай возможна, но менее распространена: такие географические названия редки и локальны, а прозвищная модель на -ай (-яй) типична для русских фамилий (Молчай, Кричай, Гуляй).

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Локтаевы — потомки человека по прозвищу Локтай. Форма с -ев, а не с -ов, появилась потому, что основа оканчивается на мягкий согласный (Локтай → Локтаев). Фамилия могла закрепиться в среде крестьян и посадских людей: прозвища с бытовой, часто ироничной характеристикой внешности или поведения были обычны в XVI–XVII веках и нередко становились наследственными без участия церковного имени.

Встречается фамилия преимущественно на севере европейской части России и в Поволжье — в архангельских, вологодских, кировских записях. Это косвенно подтверждает диалектную природу основы: слово «локтай» фиксируется именно в севернорусских говорах. Однокоренные фамилии — Локтев, Локтевский — образованы от более понятной основы «локоть»; Локтаевы стоят особняком, сохранив редкую диалектную форму.

Сословная принадлежность у Локтаевых не прослеживается единообразно: в метрических книгах XIX века попадаются и государственные крестьяне, и мещане. Дворянских ветвей с такой фамилией не зафиксировано — это фамилия простонародная, возникшая в среде, где прозвище прирастало к роду без формального утверждения.