Фамилия Пильтеев — редкий случай, когда за основу взято не имя и не ремесло, а, скорее всего, диалектное прозвище, связанное с действием. Её ядро — глагол «пильтять» или «пельтять», который в северных и сибирских говорах означал «ковылять», «идти вразвалку», «переваливаться с ноги на ногу». Человек с такой походкой мог получить прозвище Пильтей или Пельтей, а его потомки стали Пильтеевыми.

Суффикс -еев указывает на модель образования от прозвищ на -ей, что типично для русских фамилий XVI–XVII веков. Фонетический вариант с «и» вместо «е» (Пильтей вместо Пельтей) мог закрепиться в письменных документах из-за аканья или местного произношения. Встречается и версия, что основа связана с тюркским «пилте» — «фитиль», но она слаба: фитильное прозвище маловероятно для крестьянской среды, а география фамилии (в основном Архангельская, Вологодская области) говорит в пользу севернорусского говора.

По сословной принадлежности носители фамилии — почти поголовно государственные крестьяне и мещане. В переписях XIX века Пильтеевы встречаются в Шенкурском и Холмогорском уездах Архангельской губернии, где занимались земледелием, рыболовством и лесным промыслом. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Пельтеев, Пильтяев, Пельтяев) показывает, что форма Пильтеев — самая частая, что говорит о её устойчивости именно в северных писцовых книгах. В современной России фамилия остаётся редкой, сконцентрированной в Архангельской области и в среде потомков северных переселенцев в Сибири.