Фамилия Пелеев — редкий пример того, как русская фамилия сохранила имя из древнегреческой мифологии, пришедшее через церковный календарь. В основе лежит мужское имя Пелей, которое в переводе с греческого означает «жребий». Так звали отца Ахилла, героя «Илиады», но в святцы это имя попало благодаря христианским мученикам, а не гомеровским сюжетам. На Руси такие имена давали при крещении, но широкого распространения они не получили, поэтому и фамилия встречается нечасто.

Суффикс -ев указывает на модель образования: Пелеев значит «сын Пелея» или «человек из рода Пелея». По такой же схеме сложились фамилии Андреев, Матвеев, Тимофеев — от канонических имён. Разница лишь в том, что Пелей в русской традиции остался именем редким, почти единичным, и потому фамилия не разрослась в целое семейное древо, как, скажем, Ивановы или Петровы.

Существует и вторая, менее правдоподобная гипотеза, которая связывает фамилию не с именем, а с прозвищем Пелей. В этом случае основой могло стать слово «пелева» — так в южнорусских говорах называли шелуху и измельчённые при молотьбе части колоса, которые отлетали в сторону при провеивании зерна. Если принять эту версию, прозвище Пелей получил человек, занятый молотьбой или очисткой зерна, а его потомки унаследовали фамилию. Но здесь есть слабое место: прозвище от слова «пелева» естественнее звучало бы как Пелев или Пелевин, а форма Пелей скорее указывает на личное имя, чем на профессиональное прозвище.

Стоит заметить, что имя Пелей в русской традиции нередко путали с более ходовым Филей или Филеем, и в документах могли писать по-разному. Поэтому часть носителей фамилии Пелеев может оказаться в родстве с Филеевыми или Филейкиными — такие искажения при переписях случались постоянно. Точную географию фамилии проследить сложно: она встречается точечно, без явной привязки к одному региону, что типично для фамилий от редких крестильных имён.