Фамилия Помотаев — один из тех случаев, когда за привычным звучанием скрывается неочевидная основа. На первый взгляд, корень «помот-» кажется смутно знакомым, но в современном русском языке такого слова нет. Разгадка лежит в диалектной лексике и народной фонетике.

Скорее всего, в основе фамилии лежит глагол «помотать» — то есть покачать, помахать, подёргать. Однако в говорах у этого слова было и более конкретное значение. В северных и сибирских диалектах «помотать» могло означать «покачать головой» (в знак отказа или сомнения) или «пошатать» (например, столб). Человека, который имел привычку нервно или задумчиво мотать головой, в деревне могли прозвать Помотаем. Прозвище закреплялось за тем, кто «помотал» — колебался, не решался, или, наоборот, был суетлив и непоседлив.

Менее вероятная, но не исключённая версия — связь с ремеслом. В некоторых промыслах «помотать» означало намотать нить или пряжу на что-то. Тогда Помотаем могли назвать помощника прядильщика или ткача, который занимался сматыванием ниток. Эта гипотеза слабее, так как обычно в таких случаях образовывали фамилии от названия профессии (Прядильщиков, Ткачёв), а не от действия.

Фамилия образована по стандартной модели с суффиксом -ев, который присоединялся к основам на мягкий согласный или -й. В данном случае исходное прозвище Помотай дало форму Помотаев. Эта модель — одна из самых распространённых в русских фамилиях, что указывает на её достаточно раннее формирование, вероятно, не позднее XVII века.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным регионам России. Встречается она нечасто, что говорит о локальном происхождении — от конкретного прозвища в одной или нескольких соседних деревнях. Носители фамилии Помотаев, скорее всего, потомки крестьян или посадских людей, получивших своё прозвище за характерную манеру поведения или, реже, за род занятий.