Фамилия Никольаев — редкий вариант написания более распространённой фамилии Николаев. Ошибка в корне («о» вместо «а» во втором слоге) могла закрепиться в документах из-за особенностей произношения или неграмотности писаря, но со временем стала фамильной нормой для отдельных ветвей рода. Встречается преимущественно у русских, украинцев и белорусов, но единичные носители есть и у других народов бывшего СССР.

Основа фамилии — каноническое мужское имя Николай (от греч. «никэ» — победа и «лаос» — народ, то есть «победитель народов»). Суффикс -ев (вместо стандартного -ов) указывает на образование от формы имени, оканчивающейся на мягкий согласный или -й: в данном случае от «Николай» через притяжательное прилагательное «Николаев» (чей? — Николаев сын). Вариант «Никольаев» с буквой «о» в корне — результат гиперкоррекции или диалектного аканья, когда безударное «а» на письме заменили на «о», пытаясь «исправить» произношение.

По модели образования фамилия относится к патронимическим (отчество в роли фамилии). Предок носителя, вероятно, был сыном человека по имени Николай. В крестьянской среде такие фамилии закреплялись за целыми семьями в XVIII–XIX веках, когда у людей без фамилий в документах писали «Николаев сын» или просто «Николаев». Сословной привязки нет: Никольаевы могли быть крестьянами, мещанами, духовенством или купцами — имя Николай было одним из самых популярных у всех слоёв населения.

С точки зрения словообразования интересен суффикс -аев, который встречается реже, чем -ов, и характерен для имён и прозвищ, оканчивающихся на -ай (Николай, Андрей, Матвей). В фамилии Никольаев суффикс сохранил историческое написание, несмотря на изменение корня. Сравните с однокоренными: Никольский (от названия села или храма), Никулин (от уменьшительной формы Никола), Кольцов (от краткой формы). Никольаев же — прямой вариант от полного имени, редкий из-за орфографической аномалии.

География бытования фамилии Никольаев — в основном регионы с высокой долей русского населения, где были сильны традиции церковного именования: центральные области России, Поволжье, Сибирь. Встречается и у старообрядцев, которые могли намеренно сохранять архаичное или «неправильное» написание фамилии в метрических книгах. В современных базах данных фамилия фиксируется единично, что подтверждает её редкость по сравнению с массовым вариантом Николаев.