Фамилия Марцелева — редкий пример, где женская форма закрепилась в документах раньше или наравне с мужской. В основе лежит крестильное имя Марцелл (от латинского Marcellus — «посвящённый Марсу» или уменьшительное от Marcus). В русской традиции имя встречалось в среде духовенства и мещанства, но массовым не стало — отсюда и редкость фамилии.

Суффикс -ев указывает на типичную модель притяжательного прилагательного: Марцел + ев = «сын Марцела». В говорах конечное -л в имени могло смягчаться, поэтому на письме закрепилось -ев, а не -ов. Мужской вариант — Марцелев — встречается ещё реже, и в ряде архивных записей XIX века фигурирует именно женская форма как основная, если фамилию записывали со слов вдовы или матери.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и западнорусским губерниям — Курской, Орловской, Могилёвской. Там имя Марцелл (в народном произношении Марцел) иногда путали с польским Marcele, что добавляло вариантов написания: Марцелёв, Марцелев, Марцеля. В переписных книгах Черниговщины XVIII века встречаются «Марцеловы дети» — это, скорее всего, ранняя форма той же фамилии.

Спорный момент: некоторые исследователи выводят фамилию не от имени, а от прозвища Марцель — так в южных говорах могли называть человека с грубой или «маркой» кожей (от диалектного «марцель» — рубец, шрам). Но версия менее убедительна: прозвище не зафиксировано в словарях русских говоров, а имя Марцелл в святцах есть, что даёт простую и прямую этимологию.

Сословно носители фамилии — почти всегда крестьяне или однодворцы. Дворянских родов Марцелевых нет, в купеческих гильдиях фамилия не встречается. Это говорит о том, что предки были людьми простого звания, а сама фамилия возникла в среде, где имя Марцелл давали по святцам, но редко — отсюда её единичность и локальная привязка.