Фамилия Нагатаев образована от прозвища или имени Нагатай, а суффикс -ев указывает на русскую модель патронимии — «сын Нагатая». Это не самая частая фамилия, и её корень вызывает вопросы, на которые у исследователей нет единого ответа. Основная версия связывает основу с тюркским словом «нагай» — так называли ногайцев, один из тюркских народов. В русских говорах слово «нагай» или «ногай» закрепилось как прозвище человека, имевшего отношение к ногайцам: либо по происхождению, либо по внешности, либо по роду занятий (например, торговля с кочевниками). В пользу этой версии говорит и география: фамилия встречается в Поволжье и на Урале, в регионах, где исторически были контакты с ногайцами.

Менее вероятная, но допустимая гипотеза — происхождение от имени Нагатай, которое могло быть вариантом крестильного имени Агапий или Агафон, переосмысленного в тюркской среде. Однако документальных подтверждений этому мало, и большинство ономастов склоняются к прозвищной, а не календарной основе.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий на -ев: она фиксирует принадлежность к роду, где предок носил прозвище на твёрдый согласный. В данном случае суффикс присоединён к основе на -ай, что характерно для тюркских заимствований (сравните: Алтаев, Толмачев). Интересно, что в дореволюционных записях фамилия могла писаться через «о» — Ногатаев, что прямо указывает на связь с ногайцами. Со временем написание стабилизировалось через «а» под влиянием местных говоров.

Сословная принадлежность носителей фамилии не зафиксирована в обобщённых источниках, но по косвенным данным можно предположить, что Нагатаевы были в основном крестьянами или мещанами из юго-восточных губерний. Фамилия не относится к дворянским и не встречается в родословных книгах, что подтверждает её «народное» происхождение.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Нагаев, Нагайцев, Ногаев — то Нагатаев выделяется суффиксом -ат-, который мог указывать на более конкретное прозвище: Нагатай — это не просто «ногаец», а, возможно, человек с характерной чертой или манерой, напоминавшей ногайцев. Впрочем, точное значение утрачено, и сегодня фамилия Нагатаев — это прежде всего маркер этнических и культурных связей русского населения с тюркским миром.