Фамилия Онотолей — редкий случай в русской ономастике. На первый взгляд она напоминает искажённое имя Анатолий, но при ближайшем рассмотрении выясняется, что перед нами не простая описка, а фамилия, образованная по живой модели русского Севера.

Ключ к разгадке — суффикс -ей. В фамилиях на -ей, -ай, -уй (Онотолей, Кислей, Бородай) часто скрываются прозвища, застывшие в форме краткого прилагательного или существительного с уменьшительным или пренебрежительным оттенком. В говорах Архангельской, Вологодской и Пермской губерний слово «онотолей» могло быть местным вариантом произношения имени Анатолий: северные диалекты нередко заменяли начальное «а» на «о» в безударной позиции («оканье»), а путаница согласных в чужом церковном имени давала «Онотолей» вместо «Анатолий».

Именно это имя и стало основой фамилии. Прозвище Онотолей давали, скорее всего, человеку, который нёс имя Анатолий в его народной, «опрощенной» форме. В среде, где грамотность была редкостью, такое прозвище не считалось обидным — оно фиксировало реальное звучание имени в быту. Фамилия закрепилась за потомками этого человека как отчество: «чей? — Онотолеев сын», а затем превратилась в Онотолей по аналогии с фамилиями на -ей.

В метрических книгах XIX века фамилия встречается почти исключительно в северных уездах: Вологодском, Тотемском, Сольвычегодском. Носители её — государственные крестьяне и мещане, то есть люди, далёкие от столичной книжной нормы. В отличие от фамилий на -ов (Онотолеев), форма Онотолей сохранила архаичную диалектную черту, что делает её ценным свидетельством живой русской речи.

Других версий происхождения, кроме как от имени Анатолий через северное «оканье», нет. Фамилия не связана с профессией или географическим названием: это чисто антропонимический случай, когда имя собственное перешло в фамилию без посредников, минуя стандартный патронимический суффикс.