Фамилия Нестерев образована от производной формы канонического мужского имени Нестор. В переводе с древнегреческого оно означает «вернувшийся домой». Так звали одного из ранних христианских мучеников — Нестора Солунского, ученика святого Димитрия Солунского. Однако в быту, особенно в среде непривилегированных сословий, полное церковное имя почти не использовали. Вместо него люди звали друг друга уменьшительными вариантами, и для Нестора таким повседневным именем стало Нестерь.

От этого просторечного имени и пошла фамилия: потомок человека по имени Нестерь со временем получил прозвание Нестерев, то есть «сын Нестеря». По словообразовательной модели это типичная русская фамилия с патронимическим суффиксом -ев, который присоединялся к основам, оканчивающимся на мягкий согласный или на -ь. Здесь же стоит обратить внимание на любопытную деталь: в фамилии сохранилась именно народная, разговорная форма имени, а не книжная церковнославянская. Поэтому Нестерев — фамилия, которая рассказывает о живой языковой традиции, а не о канцелярской записи.

Интересно, что от той же основы образовались и другие фамилии — Нестеров, Нестеренко, Нестерчук. Но если Нестеров встречается повсеместно и часто фиксировалась в документах, то форма Нестерев встречается заметно реже. Это может говорить о том, что предки носителей фамилии жили в местности, где закрепился именно местный говор с мягким произношением имени, либо фамилия записывалась «на слух» и позже застыла в таком виде.