Фамилия Онатолей — редкий случай в русской антропонимии, и её разбор требует осторожности. Первое, что бросается в глаза: написание через «О» в начале. Это не опечатка и не искажение, а указание на конкретный путь, которым имя Анатолий попало в фамилию. В русской традиции фамилии на -ей почти не образуются от полных имён напрямую; обычно это либо украинская, либо польская модель, либо результат застывшей формы родительного падежа.

Исходное имя — Анатолий (греч. «восточный», «восходящий»). Фамилия Онатолей могла возникнуть в среде, где имя произносили с «О» на месте безударного «А»: «Онатолий». Такое аканье на письме — характерная черта южновеликорусских и украинских говоров. Но почему на конце -ей, а не -ий? Вероятно, это не просто фамилия, а форма, заимствованная через польское посредство (польск. Anatol, родительный падеж Anatola, но в русской записи могло закрепиться как Онатолей). Либо это усечённая форма отчества: «Онатольев» со временем могло переосмыслиться в «Онатолей» под влиянием фамилий на -ей (как Журавлей, Соловей).

Вторая версия, более прозаичная: фамилия могла возникнуть от прозвища Онатолей, данного человеку, который постоянно упоминал это имя или был назван в честь святого Анатолия, но в местном диалекте. Суффикса -ей в русском языке нет, поэтому фамилия стоит особняком. Сравните с фамилиями Анатольев, Анатольский — они куда типичнее и образованы по стандартным моделям. Онатолей же — либо архаичная запись, либо результат канцелярской ошибки при переписи, когда писарь записал имя как фамилию.

Географически фамилия тяготеет к юго-западу России и Украине. В списках дворянства или купечества она не встречается — скорее, это крестьянская или мещанская фамилия, зафиксированная в XIX веке. Социально предки могли быть людьми, получившими фамилию по имени отца или деда, но без типичного родового суффикса. Уникальность фамилии в том, что она сохранила живую разговорную форму имени, не переработанную книжной нормой.