Фамилия Ортаев образована от мужского имени Ортай. Это имя, скорее всего, тюркского происхождения, где основа «орта» означает «средний», «середина». В родственных языках (казахском, татарском, башкирском) слово «орта» имеет то же значение. Таким образом, Ортай — это, вероятно, имя, данное среднему ребенку в семье (по аналогии с русскими именами Середа, Средний). Иногда так называли ребенка, родившегося «в середине» какого-либо значимого события или периода.

Фамилия построена по простой и продуктивной модели: к основе на -й добавляется русский патронимический суффикс -ев, который указывает на принадлежность: «сын Ортая». Это типичная для многих народов России модель, когда тюркское имя обрастало русским фамильным окончанием в процессе делопроизводства и фиксации в документах XIX века. Написание через «а» (Ортаев, а не Ортев) объясняется тем, что в тюркских языках гласный звук в корне произносится твердо.

Географически фамилия Ортаев наиболее распространена в Поволжье и на Урале, особенно среди татар и башкир. Встречается она и у казахов, но там патроним чаще оформляется без суффикса (просто Ортай). В русской среде эта фамилия редкая, ее носители — потомки выходцев из тюркской среды, которые обрусели и перешли на русский язык.

Интересно, что у фамилии нет однозначного варианта с суффиксом -ов. Форма Ортаев закрепилась, потому что имя заканчивается на мягкий звук. Если бы имя звучало как Ортай и воспринималось как твердое, фамилия могла бы быть Ортаев, но в русской грамматике для основ на -й исторически использовали -ев.