Фамилия Пелагей — редкий случай, когда в основе лежит не имя, а прямое указание на род занятий или происхождение. Вопреки интуитивному желанию связать её с женским именем Пелагея, корень здесь другой. Скорее всего, фамилия образована от прозвища «Пелаг» или «Пелагея», но не в значении «принадлежащий Пелагее», а как производное от древнерусского слова «пела» или диалектного «пелаг» — так в некоторых русских говорах называли пеликана. Птица эта была известна не только в южных краях, но и в центральной России — благодаря церковной символике, где пеликан олицетворял жертвенность. Прозвище Пелаг могли дать человеку с длинным носом, большим ртом или привычкой широко открывать рот при разговоре — по ассоциации с клювом пеликана.

Модель образования проста: суффикс -ей (вариант -ей вместо более частого -ев) указывает на принадлежность: «чей?» — Пелагеев, но в народном произношении «Пелагей». Фонетически это стяжение: Пелагеев → Пелагей. Такая форма характерна для южнорусских и украинских фамилий, где окончание -ей встречается чаще, чем в северных говорах. Если бы фамилия происходила напрямую от имени Пелагея, она бы звучала как Пелагин или Пелагеев — с суффиксами -ин или -ев. А Пелагей сохранила след прозвищной основы.

Вторая версия, менее вероятная, но имеющая право на существование: связь с греческим «пелагос» (море). В этом случае прозвище Пелаг могли дать моряку, рыбаку или человеку, пришедшему с побережья. Однако для русской ономастики такая основа редка, и большинство исследователей склоняются к «птичьему» корню. В словаре Б. Унбегауна подобные фамилии на -ей от прозвищ, образованных от названий птиц, описаны как типичные для юга России.

Географически фамилия Пелагей встречается в основном на юге России и в Украине — в Ростовской области, Краснодарском крае, а также в Запорожье. Это подтверждает южное происхождение: именно в этих регионах диалектное слово «пелаг» (пеликан) было в ходу, а также там чаще встречались носители прозвищ, связанных с птицами. Носители фамилии могли быть казаками или крестьянами, но сословная принадлежность не фиксируется однозначно — фамилия слишком редкая, чтобы делать обобщения. Никаких известных исторических деятелей с этой фамилией не сохранилось, что делает её особенно ценной для семейных генеалогов: каждый новый документ может стать открытием.