Фамилия Матхеев — один из тех редких случаев, когда написание напрямую подсказывает путь, по которому шло слово. В ней нет привычного для русских фамилий суффикса -ов или -ев. Вместо этого мы видим основу «Матхе» и окончание «ев», что выдает в ней фамилию, возникшую в среде, где русский язык смешивался с тюркскими или кавказскими языками. Скорее всего, перед нами русифицированная форма тюркского имени или прозвища.

Вероятнее всего, в основе лежит личное имя Матхей или Матха. Имя это не каноническое, не из святцев, а народное, возможно, производное от арабского «матх» (протяжение, пространство) или от тюркского корня со значением «твердый», «крепкий». В таком случае фамилия Матхеев означает «потомок Матхея» или «принадлежащий к роду Матхея». Суффикс -ев здесь не столько словообразовательный (как в фамилиях от Иванов), сколько адаптационный: он «обрусел» окончание, чтобы фамилия вписалась в русскую грамматику.

Другая, менее вероятная, но возможная версия — связь с топонимом. В Закавказье и на Северном Кавказе встречаются селения с похожими названиями (например, Матхей или Матхе). Тогда фамилия могла указывать на выходца из такого места, но эта гипотеза слабая, так как суффикс -ев не типичен для географических прозвищ в русской традиции — для этого чаще брали суффикс -ский.

Географически фамилия Матхеев встречается редко, в основном в регионах с сильным тюркским или кавказским влиянием: в Поволжье, на Урале, в Западной Сибири, а также среди народов Дагестана и Чечни, где русские фамилии давались по отцу или прозвищу при переходе в православие или при паспортизации в XIX веке. Носители могли быть крестьянами, казаками, мелкими торговцами — сословной привязки нет, так как фамилия не попала в дворянские родословные книги.

С точки зрения словообразования, Матхеев стоит в одном ряду с такими же редкими фамилиями, как Матхаев, Матхеев, Матхиев, которые различаются лишь огласовкой. Все они — результат одного и того же процесса: местное имя или прозвище получало русское окончание, чтобы закрепиться в документах.