Фамилия Почерняев — один из тех случаев, когда прозвище, лёгшее в основу, сохранилось в почти неизменном виде. Её ядро — глагол «чернить» (делать чёрным, пачкать, а также клеветать, порочить). Приставка «по-» вносит значение действия, совершённого в некоторой степени или по отношению ко всему объекту: «почернить» — значит покрыть чернотой, очернить. Таким образом, Пóчерняй (именно с ударением на первый слог, как в большинстве подобных прозвищ) — это человек, которого прозвали за склонность к злословию, либо за смуглую кожу, либо за работу с сажей, углём или чернилами.

Модель образования типична для восточнославянских фамилий: суффикс -ев присоединился к основе «Почерняй», указывая на принадлежность: «чей сын?» — Почерняев. Суффикс -яй в прозвищах (ср. Заикай, Ковыряй, Ругай) часто придавал оттенок деятеля, склонного к повторяющемуся действию. В данном случае это не единичный поступок, а свойство характера или постоянное занятие.

В словарях русских фамилий (например, у Б. Унбегауна) прямая отсылка к «Почерняеву» отсутствует, но он хорошо вписывается в гнездо фамилий от «черный» и его производных. Родственными по корню будут Черняев, Чернышёв, Чернавин, а также Почернин — более редкий вариант, где основа — краткое прилагательное «почернин» (тот, кто почернел). Почерняев стоит особняком именно благодаря глагольной основе с приставкой, что делает прозвище более конкретным и «действенным».

Географически фамилия редкая и не имеет ярко выраженного ареала. Встречается в центральных областях России и на Урале, что косвенно подтверждает её прозвищное происхождение от человека, занятого в чёрной работе — например, в кузнечном деле или углежжении. Второй, более вероятный, вариант — прозвище дали за мрачный, угрюмый нрав или за привычку «очернять» других. В крестьянской среде такие меткие характеристики давались намертво и переходили в фамилию.

Примечательна орфографическая особенность: фамилия пишется через «е» после «я», хотя в разговорной речи нередко слышится «Почернявов» или «Почернёв». Это указывает на то, что в момент закрепления фамилии (XVII–XVIII века) в документах фиксировали именно форму притяжательного прилагательного от «Почерняй» — с суффиксом -ев, а не с более поздним -ов, который стал доминировать позже. Такое написание — дополнительный маркер древности фамилии.