Фамилия Остылева — женская форма фамилии Остылев, и её разбор лучше начать с необычного корня. В русских фамилиях на -ев редко встречается основа, не связанная напрямую с церковным или мирским именем. Здесь корень «остыл-» почти наверняка восходит к глаголу «остыть» или прилагательному «остылый» — то есть холодный, равнодушный, потерявший жар. Прозвище Остылый могли дать человеку флегматичному, медлительному или, наоборот, тому, кто быстро «остывал» после ссоры. В говорах встречалось и слово «остыль» в значении «холод, стужа», что тоже могло стать основой.

Модель образования проста: суффикс -ев присоединялся к прозвищу, оканчивающемуся на -ый (с отсечением окончания). Это типичная патронимическая модель, но не от имени, а от характеристики. В этом смысле фамилия Остылев стоит в одном ряду с такими, как Холоднов, Студёнов или Молчанов, — все они описывали черту нрава или внешности.

Географически фамилия редкая. По данным современных телефонных справочников и баз переписей, основные очаги Остылевых — Поволжье и Урал, особенно Пермский край и Кировская область. В этих местах в XIX веке были распространены прозвища, образованные от бытовых наблюдений, а не от церковных календарей. Сословно предки скорее всего были крестьянами или мещанами: дворянские фамилии с таким корнем не фиксируются в родословных книгах.

Версия о связи с украинским или белорусским «остыл» (остаток, осадок) маловероятна: суффикс -ев указывает на великорусскую среду, а в южнорусских говорах фамилия звучала бы как Остыленко или Остыль. Так что основная гипотеза — прозвище по характеру или по погодному явлению — остаётся самой правдоподобной.