Фамилия Нольнаева — редкий случай, когда основа не бросается в глаза даже носителю языка. Чтобы понять её происхождение, нужно отбросить суффикс и посмотреть, что осталось. Женская форма Нольнаева указывает на мужскую — Нольнаев. В ней чётко выделяется тюркский суффикс принадлежности -ев, который в русской среде присоединяли к основам, оканчивающимся на согласный. Значит, корень — «Нольнай».

Сам корень «Нольнай» почти наверняка составной. Первая часть — «ноль» — в тюркских языках (например, в казахском, татарском, башкирском) означает «раб» или «слуга», но не в унизительном смысле, а как указание на принадлежность: «раб Божий» или «слуга такого-то». Вторая часть — «най» — может восходить к арабскому «най» (флейта, свирель) или к тюркскому «най» (родственник, свойственник). Однако правдоподобнее версия, что «най» здесь — искажённое имя собственное. В мусульманских именах част компонент «Наиль» (араб. «добивающийся успеха») или «Найль» (дар, подарок). Тогда «Нольнай» — это стяжённая форма от «Ноль-Наиль»: «слуга (раба) Наиля».

Такая модель образования — «раб + имя хозяина» — типична для огузских и кыпчакских народов. Предок носителя фамилии, вероятно, жил на территории, где смешивались тюркские и русские традиции: в Поволжье, на Урале или в Оренбуржье. Фамилия могла возникнуть в среде крещёных татар, башкир или казахов, которые переходили в православие, но сохраняли тюркскую основу прозвища. Суффикс -ев вместо более ожидаемого тюркского окончания говорит о том, что фамилию оформляли уже по русскому образцу — в документах, при переписи или при получении паспорта.

В отличие от фамилий с прозрачным корнем (Кузнецов, Попов), Нольнаева — это «зашифрованное» указание на социальный статус и веру предка. Она не связана с цифрой «ноль» в современном смысле, хотя внешнее сходство с математическим термином может вводить в заблуждение. Если искать аналоги, можно вспомнить фамилии Нуруллин (от «нур» — свет и «улла» — Аллах) или Рахматуллин, где также соединяются два смысловых блока.

Сведений о географической распространённости фамилии Нольнаева в открытых источниках крайне мало. Это говорит о том, что она локальна и, возможно, принадлежит одному-двум родам. Носителей стоит искать в регионах традиционного проживания татар и башкир, а также в среде казахской диаспоры, которая в XIX веке активно взаимодействовала с русской административной системой.