Фамилия Мотрой — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. В ней нет привычного русского суффикса -ов, -ев или -ин, что сразу наводит на мысль о нерусских корнях или о сильном искажении исходной формы при записи.

Самый вероятный путь — топонимический. Фамилия могла возникнуть от названия населённого пункта. В Польше есть деревня Мотрув (Motrów), а в Чехии — Мотержов (Moteržov). В таком случае фамилия образована по польской или украинской модели на -ой, которая встречается у фамилий, указывающих на выходца из определённого места. Суффикс -ой здесь — не типичное русское окончание прилагательного, а скорее застывшая форма родительного падежа множественного числа в западнославянских языках. То есть Мотрой мог означать «из Мотрова» или «потомок того, кто родом из Мотрова».

Вторая версия, менее правдоподобная, но возможная — от прозвища. В диалектах русского севера и Сибири известно слово «мотроха» — неряшливый, неопрятный человек. Если фамилия образовалась от него, то исходная форма могла звучать как Мотроха, а при крестьянской записи безграмотным писцом превратиться в Мотрой. Однако такая модель образования (прозвище + -ой) для русских фамилий нетипична, поэтому эта версия слабее.

География фамилии сегодня размыта. Носители Мотрой встречаются в России, на Украине и в Беларуси, но нигде не образуют плотных гнёзд. Это говорит о том, что фамилия либо была привнесена переселенцами, либо возникла в нескольких местах независимо от разных основ.

С точки зрения словообразования фамилия стоит особняком. В отличие от массовых Морозовых или Кузнецовых, Мотрой — пример того, как случайная описка, миграция или редкое имя предка могут создать уникальную фамилию без очевидной внутренней формы.