Фамилия Пелюгаев — редкий случай, когда исходное слово почти исчезло из живого языка, но оставило след в прозвищах и фамилиях. Её основа — «пелюга». В диалектах русского языка (прежде всего южных и западных) так называли мелкую рыбу, чаще всего — мелкую плотву, уклейку или молодь другой рыбы. Слово родственно украинскому «пелюга» (то же значение) и, вероятно, восходит к общеславянскому корню со значением «мелкий, невзрачный». Человек мог получить прозвище Пелюга за маленький рост, худобу или за то, что промышлял ловлей этой рыбы.

Суффикс -ев указывает на типичную модель образования русских фамилий: от прозвища или имени, оканчивающегося на мягкий согласный. Пелюгаев буквально значит «сын Пелюгая» или «потомок человека по прозвищу Пелюгай». Форма на -ай (а не просто Пелюгин) встречается реже и может говорить о том, что прозвище было образовано с уменьшительно-ласкательным или ироничным оттенком.

География фамилии неширокая. Пелюгаевы встречаются преимущественно в Курской, Белгородской, Воронежской областях, а также на востоке Украины — в Сумской и Харьковской областях. Это зона бытования южнорусских говоров, где слово «пелюга» было в ходу. В северных регионах фамилия практически не встречается.

Версия о связи фамилии с украинским «пелюшка» (вид гороха) или «пелена» маловероятна: фонетически «пелюга» и «пелюшка» — разные слова, а прозвище от растения давалось бы в другой форме (Пелюхов, Пелюшенко). Скорее всего, перед нами именно «рыбное» прозвище, которое закрепилось в крестьянской среде и не имело отношения к дворянству или духовенству.

Сравнение с однокоренными фамилиями подтверждает этот вывод. Пелюгин, Пелюга, Пелюгай — все они сконцентрированы в одном ареале и образованы от той же диалектной основы. Фамилия Пелюгаев — самая редкая из этого ряда, её носители, вероятно, потомки одного рода, разошедшегося по соседним губерниям.