Фамилия Орлышева — женская форма фамилии Орлышев, и её разбор стоит начать с неочевидного: корень здесь не «орёл», хотя первое желание — связать фамилию с царственной птицей. Словообразовательная модель подсказывает иное. В русских фамилиях суффикс -ыш- (как в Малышев, Голышев, Кудряшев) обычно указывает на прозвище, образованное от прилагательного или существительного с уменьшительно-уничижительным оттенком. Орлыш — это не «маленький орёл» в прямом смысле (для этого было бы «орлёнок»), а скорее прозвище человека, которого в шутку или с иронией называли «орлышом» — возможно, за гордую осанку, острый взгляд или, наоборот, за неуклюжую попытку казаться важным.

Основа «Орл-» восходит к древнерусскому нецерковному имени Орёл. Такие «птичьи» имена были распространены на Руси до XVII века: Сокол, Лебедь, Воробей. Имя Орёл давали как оберег — считалось, что ребёнок унаследует силу и зоркость птицы. Со временем имя превратилось в прозвище, а затем — в фамилию через характерный для северных и вологодских говоров суффикс -ыш-. В документах XVI–XVII веков встречаются крестьяне Орлы (например, в переписных книгах Вологды), а фамилия Орлышев могла закрепиться в тех же краях.

Вторая версия, менее вероятная, но возможная: связь с диалектным словом «орлыш» — так в некоторых областях называли неоперившегося птенца или, в переносном смысле, незрелого, молодого человека. Тогда прозвище могли дать шустрому парню или, напротив, недотёпе. Однако первая версия (от имени Орёл через уменьшительную форму) поддерживается типичной для русской антропонимии моделью: «имя + -ыш + -ев» даёт фамилию, указывающую на прямого потомка (Орлышев = сын Орлыша, а Орлыш = сын или человек, связанный с Орлом).

Фамилия редкая, её географическое ядро, судя по современным данным, — Центральная Россия и Поволжье, с отдельными гнёздами на Урале. В дворянских родословных книгах Орлышевы не значатся: это крестьянская или мещанская фамилия, что подтверждается её «простым» суффиксом и отсутствием в списках служилого сословия. Интересно, что в XIX веке встречалось написание «Орлышевъ» через «ы» — это фиксирует твёрдое произношение, характерное для северных говоров, где «орлыш» звучало бы как «орлыш».