Фамилия Нустроев — редкая и сложная для однозначного толкования. Её основа, «Нустрой», не встречается в современных словарях личных имён, а значит, перед нами, скорее всего, не крестильное имя, а прозвище или искажённая форма другого слова.

Самая вероятная версия связывает фамилию с древнерусским глаголом «устроити» (устроить, наладить) с отрицательной частицей «не». Прозвище Неустрой или Нустрой могли дать человеку беспокойному, неуживчивому, тому, кто постоянно вносил разлад. Со временем «Неустроев» могло сократиться до более краткого «Нустроев» — такой переход (стяжение гласных) типичен для живой разговорной речи. В пользу этой версии говорит наличие фамилии Неустроев, которая встречается гораздо чаще и имеет ту же логику образования.

Менее распространённая гипотеза — связь с диалектным словом «нустрый» (быстрый, проворный) или «нуст» (вид рыбы, гольян). В этом случае Нустроевы могли вести род от человека с таким прозвищем, данным за характер или род занятий. Однако эта версия слабее, так как слово «нустрый» локально и почти не фиксируется в письменных источниках.

Фамилия образована по стандартной патронимической модели: к основе «Нустрой» добавили типичный русский суффикс принадлежности -ев (после мягкого согласного). Она указывает на потомка человека по прозвищу Нустрой. Социальный контекст здесь, скорее всего, крестьянский или посадский — прозвища с отрицанием «не» были особенно распространены именно в этих слоях, где они служили не столько оскорблением, сколько бытовой характеристикой.

Географически Нустроевы тяготеют к северным и сибирским регионам России, что косвенно подтверждает связь с фамилией Неустроев, которая особенно частотна в Якутии и Архангельской области. Скорее всего, предки современных Нустроевых — выходцы из тех же мест, где фамилия претерпела фонетическое упрощение.