Фамилия Наталиев — редкий случай в русском ономастиконе. Вопреки ожиданию, её основа — не женское имя Наталья, а мужское крестильное имя Наталий (церковная форма — Наталий). Это имя происходит от латинского «natalis» — «родной», «рождественский» (в значении «относящийся к рождению» или «праздничный»). В святцах оно известно: память мученика Наталия, пострадавшего в III веке.

Модель образования фамилии — патронимическая, с суффиксом -ев. В русской традиции фамилии на -ев (как и на -ов) образовывались от основ, оканчивающихся на мягкий согласный или на -й. Здесь основа «Наталий» дала форму «Наталиев» — буквально «сын Наталия». Интересно, что фамилия могла возникнуть и в среде духовенства: в семинариях нередко давали фамилии по имени святого, особенно если собственное имя отца было неблагозвучным для фамилии (например, от имени Наталий напрямую).

Географически фамилия Наталиев встречается точечно, преимущественно на юге России и в Поволжье, что характерно для поздних патронимических фамилий, не успевших широко распространиться. Сравните с более частыми однокоренными вариантами: Натальин (от женского имени) или Наталов (от прозвища Натал). Фамилия Наталиев, в отличие от них, сохранила прямую связь с каноническим мужским именем, что делает её своеобразным «архаизмом» в ряду русских фамилий.

Советским переписчикам фамилия могла казаться «неблагозвучной» из-за ассоциации с женским именем, но на деле она строго мужского происхождения. Носителей фамилии мало, и в дореволюционных справочниках она почти не фиксируется — вероятно, её массовое появление приходится на XIX век, когда крестьяне получали фамилии по именам отцов, а имя Наталий к тому времени уже вышло из активного употребления.