Фамилия Пиолай — редкий случай, когда географический след прослеживается увереннее, чем этимология. Она почти наверняка имеет финно-угорское происхождение и связана с регионами, где исторически жили ингерманландские финны, карелы или вепсы. Суффикс -лай характерен для восточно-финской модели фамилий, указывающей на принадлежность к месту или роду (сравните: Ранталай, Корпелай). В русской записи фамилия застыла в форме именительного падежа, без типичного русского суффикса -ов/-ин, что говорит о её позднем, скорее всего, паспортном закреплении в XIX–XX веках в среде прибалтийско-финского населения.

Основа «Пио-» неоднозначна. Если отталкиваться от диалектов финского языка, возможна связь со словом «pii» — «кремень» или с «pio» — устаревшим названием молодого сосняка, мелкого леса. В таком случае прозвище Пио могло достаться человеку, жившему в сосновом бору, или, в переносном смысле, твёрдому, «кремнёвому» по характеру. Менее вероятна, но допустима версия от личного имени Пио (в католической традиции — папское имя, но в быту у финнов почти не встречалось). Спор решается в пользу топографической модели: фамилии на -лай почти всегда «местовые», а не от имён.

В России носители фамилии Пиолай концентрируются в Ленинградской области, Карелии и, как следствие миграций, в Санкт-Петербурге. Встречаемость крайне низкая — фамилия на грани исчезновения, что делает её ценным маркером для генеалогического поиска. Предки современных Пиолаев, скорее всего, были крестьянами-земледельцами или лесными промысловиками на территории бывшей Ингерманландии, а фамилия закрепилась за ними при переписях уже после отмены крепостного права, когда финноязычное население массово получало паспорта.