Фамилию Нестерцев образовали от прозвища или имени Не́стерец. В основе лежит каноническое имя Нестор, которое пришло на Русь из греческого языка. Значение имени — «вернувшийся домой» или «возвратившийся» — в древности связывали с человеком, который благополучно завершил дальний путь или избежал опасности. Уменьшительно-ласкательная форма Нестерец указывала на молодого человека или на того, к кому относились с теплотой, но без панибратства.

Модель образования фамилии — суффикс -ев, типичный для русских фамилий, произошедших от прозвищ или имён на мягкий согласный или -ц. Нестерец → Нестерцев буквально значит «сын Нестерца», «потомок Нестерца». Суффикс -ев здесь закономерен: корень оканчивается на ц, поэтому фамилия пишется через -ев, а не через -ов.

Интересная деталь: в отличие от более распространённой фамилии Нестеров (от полной формы Нестер), Нестерцев — редкий вариант. Она встречается в основном в центральных и южных областях России, особенно в Воронежской, Курской и Ростовской областях. По данным переписей XIX века, Нестерцевы чаще были государственными крестьянами, реже — однодворцами, то есть потомками мелких служилых людей, нёсших пограничную службу.

В некоторых говорах ударение падает на первый слог — Не́стерцев, что может указывать на местные диалектные особенности произношения имени Нестор. В литературной норме фамилию произносят с ударением на втором слоге: Несте́рцев.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Нестеров, Нестеренко, Нестерук) показывает, что Нестерцев — одна из немногих форм, сохранивших уменьшительный суффикс -ец. Это делает фамилию не просто отчеством, а указанием на прозвище, которое могло закрепиться за конкретным человеком: Нестерцем называли, вероятно, младшего сына в семье Несторов или человека маленького роста с этим именем.