Фамилия Митраев образована от имени Митрай — краткой формы одного из крестильных имён. Чаще всего в основе лежит имя Димитрий (в народной русской форме — Митрей, Митрий), которое восходит к греческому Деметриос — «посвящённый Деметре», богине земледелия. Усечение первого слога и замена «д» на «т» в просторечии дали вариант Митрай. Отсюда и фамилия: суффикс -ев указывает на принадлежность — «сын Митрая».

Вторая версия связывает Митраева с именем Митрофан (от греческого «явленный матерью»). Уменьшительная форма Митря или Митрай тоже давала фамилию, но это менее вероятно: от Митрофана чаще образовывались Митрофанов и Митрюков, а Митраев — более прямой след от Димитрия.

Географически фамилия встречается в основном в русских областях центра и юга России, особенно в Рязанской, Тамбовской и Воронежской губерниях. В этих краях имя Димитрий в народе произносили как «Митрей», и отчество «Митреев» со временем перешло в Митраев через аканье — безударное «е» звучало как «а», а потом закрепилось на письме.

Фамилия редкая, в дореволюционных справочниках почти не упоминается среди дворянских родов. Значит, предки носителя фамилии — скорее всего, крестьяне или мещане, получившие фамилию по отцу после отмены крепостного права. В написании путаница почти исключена: единственный вариант — Митраев, без «д» и без «ф».