Фамилия Протарей — редкий случай, когда суффикс подсказывает ответ быстрее, чем корень. Окончание -ей в русских фамилиях почти всегда указывает на украинское или белорусское происхождение. В украинском языке суффикс -ій (в русской передаче -ей) часто образовывал прозвища от глаголов: «крутій» (крутила, хитрец), «товстій» (толстяк). Скорее всего, Протарей — это украинская фамилия, записанная через «е» вместо «і».

Основа «Протар» неочевидна. Вероятнее всего, это вариант имени Протасий или Протасий — разговорной формы греческого имени Протасий (от греч. protos — «первый»). В народе такие имена часто сокращали и переделывали: Протас, Протаня, Протарь. От формы Протарь с помощью суффикса -ей и возникла фамилия Протарей. Такой путь типичен: имя → прозвище (Протарь) → фамилия сына (Протарей, то есть «сын Протаря»).

Менее вероятна, но возможна связь с профессией. В южнорусских и украинских говорах слово «протар» или «протор» могло означать «проходчик», «тот, кто прокладывает путь» (от «проторить» — проложить дорогу). Однако фамилии с суффиксом -ей от глагольных корней встречаются реже, чем от личных имён.

Географически фамилия тяготеет к западу и югу: Украина, Беларусь, южные области России. Встречаемость очень низкая — это нетипичная фамилия, не входившая в массовые списки крестьянских или дворянских родов. В словарях Б. Унбегауна и В. Никонова прямого упоминания Протарей нет, что подтверждает её локальный, почти штучный характер.

Таким образом, предок носителя фамилии Протарей, скорее всего, был украинцем или белорусом, которого звали Протарь (от имени Протасий). Фамилия закрепилась как отчество, минуя стандартные -ов/-ев, что и сделало её такой непохожей на окружающие.